БИРОТАТИВНЫЙ ВИНТОВЕНТИЛЯТОР
BIROTARY SCREW-TYPE BLOWER

Изобретение относится к авиационному двигателестроению, конкретно к вентиляторам авиационных газотурбинных двигателей.
При разработке авиационных двигателей, в конструкции которых применены биротативные винтовентиляторы, составленные из двух противоположно вращающихся рабочих колес, значительные усилия разработчиков направляются на достижение удовлетворительных акустических характеристик данных винтовентиляторов при одновременном обеспечении требуемых аэродинамических и прочностных характеристик. Создаваемый биротативным винтовентилятором шум является следствием аэродинамического взаимодействия полей течений, образуемых вращающимися в противоположных направлениях лопатками рабочих колес, а также взаимодействием концевых вихрей от лопаток первого колеса с лопатками второго колеса и взаимодействием концевых вихрей от лопаток обоих колес за вторым рабочим колесом.
Известен закапотированный биротативный винтовентилятор, патент США №4947642 от 7 апреля 1989 г., состоящий из двух противоположно вращающихся рабочих колес с поворачивающимися относительно радиальных осей лопатками, выполненными с аэродинамическими профилями в поперечных сечениях и с изменяющимися вдоль высоты лопаток отклонениями входных кромок от радиальных осей поворота лопаток, т.е. с изменяющимися по высоте лопаток расстояниями в их поперечных сечениях от входных кромок до осей поворота лопаток.
Недостатком данного технического решения является то, что периферийные части лопаток, как первого рабочего колеса, так и второго рабочего колеса отклонены в направлении потока относительно осей поворота лопаток. Вследствие этого расстояние между периферийными частями лопаток оказывается минимальным, что приводит как к интенсивному аэродинамическому взаимодействию между лопатками обоих рабочих колес, так и к интенсивному взаимодействию концевых вихрей, а следовательно, и к возникновению повышенного уровня шума.
Известен незакапотированный биротативный винтовентилятор, патент Германии № 3933776 от 10 октября 1989 г., состоящий из расположенных друг за другом первого рабочего колеса и второго рабочего колеса с лопатками, выполненными с возможностью поворачиваться в дисках относительно радиальных осей, с аэродинамическими профилями в поперечных сечениях и с изменяющимися вдоль высоты лопаток отклонениями входных кромок от радиальных осей поворота лопаток.
Недостатком технического решения является то, что в данном винтовентиляторе периферийные части лопаток обоих рабочих колес отклонены в одну и ту же сторону в направлении потока, что приводит к минимальному расстоянию между периферийными частями. Следствием этого является интенсивное аэродинамическое взаимодействие между лопатками обоих рабочих колес и интенсивное взаимодействие концевых вихрей, а следовательно, и возникновение повышенного уровня шума, который из-за отсутствия наружной обечайки (капота) может оказаться даже более завышенным.
Технической задачей заявляемого технического решения является снижение уровня шума, создаваемого биротативным винтовентилятором.
В предлагаемом техническом решении интенсивность аэродинамического взаимодействия полей течений, образуемых вращающимися в противоположных направлениях лопатками рабочих колес, и интенсивности взаимодействия концевых вихрей от лопаток первого колеса с лопатками второго колеса и взаимодействия концевых вихрей от лопаток обоих колес за вторым рабочим колесом значительно ослабляются, что и приводит к снижению уровня шума, создаваемого биротативным винтовентилятором.
Технический результат достигается биротативным винтовентилятором, состоящим из расположенных друг за другом первого рабочего колеса и второго рабочего колеса с лопатками, выполненными с возможностью поворачиваться в дисках относительно радиальных осей, с аэродинамическими профилями в поперечных сечениях и с изменяющимися вдоль высоты лопаток отклонениями входных кромок от радиальных осей поворота лопаток, отличающийся тем, что входные кромки лопаток первого рабочего колеса для создания у данных лопаток обратной стреловидности выполнены с отклонением в сторону против потока от радиальной оси поворота лопаток, определяемым по соотношению:
i
ВТ
ВТ
ВТ
1
i
2
i
3
i
3
2
d/d=d/b-[c×(h/H)+с×(h/Н)+c×(h/Н)],
1
где c - константа при члене третьей степени, находящаяся в диапазоне -1,22÷+0,23,
2
c - константа при члене второй степени, находящаяся в диапазоне +1,61÷0,41,
3
c - константа при члене первой степени, находящаяся в диапазоне -0,61÷+0,17,
i
d - локальное отклонение входной кромки аэродинамического профиля лопатки в локальном поперечном сечении от радиальной оси поворота лопатки,
ВТ
b - хорда аэродинамического профиля лопатки в ее втулочном поперечном сечении,
ВТ
d -отклонение входной кромки аэродинамического профиля лопатки во втулочном поперечном сечении от радиальной оси поворота лопатки,
i
h - локальное значение высоты расположения локального поперечного сечения лопатки, отсчитываемого от высоты расположения втулочного поперечного сечения,
Н - высота лопатки,
а входные кромки лопаток второго рабочего колеса для создания у данных лопаток прямой стреловидности выполнены с отклонением в сторону против потока от радиальной оси поворота лопаток, определяемым по соотношению:
i
ВТ
ВТ
ВТ
4
i
5
i
6
i
3
2
d/b=d/b-[c×(h/H)+с×(h/H)+с×(h/Н)],
4
где c - константа при члене третьей степени, находящаяся в диапазоне +0,24÷+0,04,
5
c - константа при члене второй степени, находящаяся в диапазоне +0,02÷+0,04,
6
С - константа при члене первой степени, находящаяся в диапазоне +0,04÷+0,02.
Биротативный винтовентилятор может быть выполнен закапотированным, т.е. содержать наружную обечайку.
Лопатки первого рабочего колеса и второго рабочего колеса могут быть установлены неподвижно относительно своих дисков, а радиальные оси, относительно которых измеряются локальные отклонения входных кромок аэродинамического профиля в поперечных сечениях лопаток, проходят через центры тяжести их втулочных поперечных сечений.
1
6
1
2
3
4
5
6
Применение в вышеприведенных формулах для заявляемого биротативного винтовентилятора левых граничных значений констант c÷c из их диапазонов изменения (c=-1,22, c=+1,61, с=-0,61, c=+0,24, c=+0,02, c=+0,04) приводит к достижению наибольшего расстояния между периферийными частями лопаток первого и второго рабочих колес, так как в этом случае вследствие создания максимально допустимой по условиям прочности обратной стреловидности у лопаток первого рабочего колеса их периферийные участки отклоняются в направлении против потока на максимально возможную величину, а одновременно вследствие создания максимально допустимой по условиям прочности прямой стреловидности у лопаток второго рабочего колеса их периферийные участки отклоняются в направлении по потоку на максимально возможную величину. При этом наибольшем расстоянии между периферийными участками лопаток обоих рабочих колес достигается наибольшее ослабление их аэродинамического взаимодействия между полями течений, создаваемых лопатками обоих рабочих колес, и взаимодействия концевых вихрей, благодаря чему и обеспечивается наибольший положительный эффект от использования предлагаемого изобретения, т.е. наиболее значительное снижение уровня создаваемого винтовентилятором шума.
1
6
1
2
3
4
5
6
При применении правых граничных значений констант c÷c (c=+0,23, c=-0,41, с=+0,17, c=+0,04, c=+0,04, c=+0,02) обеспечивается минимальное расстояние между периферийными участками лопаток обоих рабочих колес, при котором еще возможен положительный эффект от использования предлагаемого технического решения.
Дополнительно сущность технического решения поясняется на чертежах.
1
6
На фиг.1 показан вид рабочих колес заявленного биротативного винтовентилятора в меридиональном сечении при значениях констант c÷c, близких к левым граничным значениям из их диапазонов изменения.
На фиг.2 приведен вид на лопатку первого рабочего колеса перпендикулярно поверхности лопатки в периферийной области.
На фиг.3 представлен вид на лопатку второго рабочего колеса перпендикулярно поверхности лопатки в периферийной области.
На фиг.4а показано поперечное сечение по А-А, фиг.1, лопатки первого рабочего колеса в периферийной области.
На фиг.4б показано поперечное сечение по А-А, фиг.1, лопатки второго рабочего колеса в периферийной области.
На фиг.4в показано поперечное сечение по Б-Б, фиг.1, лопатки первого рабочего колеса во втулочной области.
На фиг.4г показано поперечное сечение по Б-Б фиг.1, лопатки второго рабочего колеса во втулочной области.
1
На фиг.1 в меридиональном сечении заявляемого биротативного винтовентилятора показаны расположенные друг за другом первое рабочее колесо 1 и второе рабочее колесо 2, вращающиеся в противоположных направлениях относительно оси 3 винтовентилятора. Лопатки 4 первого рабочего колеса 1 и лопатки 5 второго рабочего колеса 2 имеют возможность поворачиваться соответственно в дисках 6 и 7 относительно радиальных осей 8 и 9. Лопатки 4 и 5 обоих рабочих колес 1 и 2 выполнены с изменяющимися вдоль высоты лопаток формами входной кромки 10 лопатки 4 и входной кромки 11 лопатки 5. Форма входной кромки 10 лопатки 4 благодаря увеличивающемуся с ростом высоты расстоянию от входной кромки 10 до радиальной оси 8 поворота лопатки 4 в соответствии с заявляемым законом обеспечивает в ее периферийной части максимально возможную по условиям прочности обратную стреловидность. Форма входной кромки 11 лопатки 5 благодаря уменьшающемуся с ростом высоты расстоянию от входной кромки 11 до радиальной оси 9 поворота лопатки 5 в соответствии с заявляемым законом обеспечивает в ее периферийной части максимально возможную по условиям прочности прямую стреловидность. Вследствие этого периферийные части лопаток 4 первого рабочего колеса 1 и лопаток 5 второго рабочего колеса 2 оказываются разнесенными на максимально увеличенное расстояние, допустимое по прочностным требованиям. Для сведения на фиг.1 показаны высота Н лопатки первого рабочего колеса 1 и высота Н лопатки второго рабочего колеса 2, а также локальные высоты h расположения локальных поперечных сечений соответственно в лопатке 4 и в лопатке 5.
В случае использования закапотированного биротативного вентилятора он может быть оборудован наружной обечайкой 12.
На фиг.2 и фиг.3 показано, что при направлении взгляда перпендикулярно поверхности лопатки в периферийной области благодаря заявляемым законам изменения вдоль высоты формы входной кромки 10 лопатки 4 и входной кромки 11 лопатки 5 действительная обратная стреловидность лопатки 4 и действительная прямая стреловидность лопатки 5 оказываются более значительными в их периферийных частях, чем это показано на фиг.1 в меридиональном сечении винтовентилятора.
Лопатка 4 и лопатка 5 могут быть выполнены с выпуклостью 13 входной кромки 10 в направлении против потока в среднем участке лопатки 4 и с выпуклостью 14 выходной кромки в направлении по потоку в среднем участке лопатки 5, что способствует повышению прочности лопаток 4 и 5 и благодаря чему можно дополнительно еще больше усилить в периферийных участках обратную стреловидность лопатки 4 и прямую стреловидность лопатки 5 по сравнению со случаем отсутствия выпуклостей 13 и 14.
i
ВТ
i
вт
i
ВТ
i
i
На фиг.4а, 4б, 4в, 4г приведены поперечные сечения лопатки 4 первого рабочего колеса 1 и лопатки 5 второго рабочего колеса 2, расположенные вблизи периферии (сечение А-А) и на втулке (сечение Б-Б) данных лопаток. Контуры этих поперечных сечений лопаток 4 и 5 представляют собой требуемые для обеспечения аэродинамических характеристик аэродинамические профили, левые носики которых являются точками входных кромок 10 и 11 (левые носики аэродинамического профиля лопатки 4 соответствуют ее входной кромке 10, а аналогичные носики лопатки 5 - ее входной кромке 11). На фиг.4а, 4б, 4в, 4г показано, что локальное отклонение d входной кромки 10 аэродинамического профиля лопатки 4 от оси 8 поворота лопатки 4 в поперечном сечении вблизи периферии значительно превосходит подобное отклонение d входной кромки 10 от оси 8 поворота лопатки 4 в поперечном сечении на втулке вследствие создания обратной стреловидности в периферийном участке лопатки 4, а локальное отклонение d входной кромки 11 аэродинамического профиля лопатки 5 от оси 9 поворота лопатки 5 в поперечном сечении вблизи периферии значительно меньше подобного отклонения d входной кромки 11 от оси 9 поворота лопатки 5 в поперечном сечении на втулке из-за созданной прямой стреловидности в периферийном участке лопатки 5. Нужно отметить, что отклонение d входной кромки 11 от оси 9 поворота лопатки 5 в поперечном сечении периферийного участка лопатки 5 может оказаться и с обратным знаком, т.е. ось 9 на периферии лопатки 5 второго рабочего колеса 2 может находиться перед входной кромкой 11. Для сведения на фиг.4а, 46 показаны хорды 15 аэродинамических профилей поперечных сечений лопатки 4 и хорды 16 аэродинамических профилей поперечных сечений лопатки 5, а на фиг.4в и 4 г показаны хорды b соответственно аэродинамических профилей поперечных сечений лопатки 4 и лопатки 5. В случае, когда лопатки 4 первого рабочего колеса 1 и лопатки 5 второго рабочего колеса 2 установлены неподвижно относительно соответственно диска 6 и диска 7, точки 8 и 9 в сечении Б-Б должны рассматриваться как центры тяжести соответственно втулочного сечения лопатки 4 и втулочного сечения лопатки 5, через которые проведены радиальные оси для отсчета локальных отклонений d лопатки 4 и отклонений d лопатки 5.
На лопатки рабочих колес винтовентиляторов, вращающихся с высокими окружными скоростями, натекает набегающий поток со скоростями, часто в периферийных участках лопаток превышающими в относительном движении скорость звука. В этих условиях использование лопаток с прямой или обратной стреловидностью позволяет снизить потери при обтекании таких лопаток, так как при этом потери определяются скоростью, нормальной к скошенной входной кромке стреловидной лопатки и потому существенно уменьшенной по сравнению со скоростью, нормальной к радиальной входной кромке. Лопатка, обтекаемая потоком с уменьшенной скоростью, оказывает более ослабленное возмущающее воздействие на поток, что в свою очередь ослабляет аэродинамические взаимодейстия, создающие шум винтовентилятора.
Таким образом, технический результат в заявляемом биротативном винтовентиляторе достигается благодаря тому, что вследствие увеличивающегося вдоль высоты лопатки отклонения входной кромки аэродинамического профиля от радиальной оси поворота лопатки первого рабочего колеса и вызванного этим смещения аэродинамического профиля в направлении против потока создается максимально допустимая по прочностным требованиям обратная стреловидность в периферийном участке этой лопатки и вследствие уменьшающегося вдоль высоты лопатки отклонения входной кромки аэродинамического профиля от радиальной оси поворота лопатки второго рабочего колеса и вызванного этим смещения аэродинамического профиля в направлении по потоку создается максимально допустимая по прочностным требованиям прямая стреловидность в периферийном участке этой лопатки. Оба эти обстоятельства приводят к тому, что периферийные части лопаток первого рабочего колеса и лопаток второго рабочего колеса оказываются разнесенными на максимально увеличенное расстояние, допустимое по прочностным требованиям. Создание максимально возможной обратной стреловидности у лопатки первого рабочего колеса и максимально возможной прямой стреловидности у лопатки второго рабочего колеса способствует тому, что эти лопатки оказывают наиболее ослабленное возмущающее воздействие на обтекающий их поток. Это обстоятельство и максимально увеличенное расстояние между периферийными частями лопаток первого и второго рабочих колес обеспечивают наибольшее ослабление интенсивности аэродинамического взаимодействия между полями течений, создаваемых вращающимися в противоположных направлениях лопатками обоих рабочих колес, интенсивности взаимодействия концевых вихрей от лопаток первого рабочего колеса с лопатками второго рабочего колеса и интенсивности взаимодействия концевых вихрей от лопаток обоих колес за вторым рабочим колесом, благодаря чему и достигается снижение уровня создаваемого винтовентилятором шума.