ОСЕВАЯ ТУРБИНА ГТД С ПОНИЖЕННЫМ УРОВНЕМ ШУМА

Полезная модель относится к осевым турбомашинам, используемым в газотурбинных двигателях, стационарных силовых установках, компрессорах и насосах. Оно предназначено для снижения пульсаций давления в потоке, которые возникают вследствие гидродинамического взаимодействия ротора и статора и являются причиной генерации излучаемого шума и вибраций лопаток.
Известен ряд работ, посвященных созданию турбомашин с пониженным уровнем шума. Например, европейский патент EP 0756667 B1, где взаимное окружное расположение двух венцов турбомашины, например статоров, между которыми расположен третий венец, например ротор, определяется из условия, что входные кромки лопаток статора, расположенного за ротором ниже по потоку, находятся в зоне вихревых следов за лопатками статора, расположенного перед ротором выше по потоку. Положение вихревых следов, соответствующее данному режиму работы турбомашины, определяется расчетом течения.
Из российских публикаций можно привести в качестве примера работу. Ф.М. Муравченко, В.М. Лапотко, Ю.П. Кухтин, С.Б. Резник, А.И. Попуга. Оценка акустического взаимодействия венцов турбины вентилятора двигателя Д-18Т. // Вестник двигателестроения. 2006. №1, С. 8-13. Авторы, которой на основании расчетного и экспериментального исследования турбины низкого давления двигателя Д-18Т предлагают способ, снижения шума, заключающийся в установке лопаток второго рабочего лопаточного венца со смещением на 0,5 шага относительно шага по входным кромкам лопаток первого рабочего венца.
Аналогом предполагаемой модели может служить устройство для осуществления способа подавления акустических шумов, возникающих в результате взаимодействия между ротором и статором в газотурбинном двигателе (патент RU №2246632, МПК F04D 5/14, F04D 29/66 д.п. 10.03.2006 г.).
Недостатки применение разворота рабочих лопаток второго колеса на 0,5 шага относительно аналогичных лопаток первого колеса имеет частный характер и не может применяться в широком диапазоне конструктивных особенностей венцов современных и перспективных турбин. Более того, при определенных углах установки профилей лопаток первого рабочего колеса, лопатки второго попадают при таком подходе к их взаимоориентации в самые «невыгодные» с позиции генерации шума положения, т.е. шум в этом случае будет максимальным.
В качестве прототипа предполагаемой полезной модели следует рассматривать осевую турбомашину (турбину) с пониженным уровнем пульсаций давления, возбуждающих вибрации лопаток и излучаемый шум (патент RU 2280169, МПК F02C 7/045, д.п. 20.02.2005 г.). Данная осевая турбомашина содержит группу или группы венцов вида ”неподвижный венец - вращающийся венец - неподвижный венец” и/или ”вращающийся венец - неподвижный венец - вращающийся венец” компрессорного и/или турбинного типа, и отличается тем, что числа лопаток крайних венцов в каждой группе или в отдельных группах равны или кратны и их взаимное окружное расположение определено величиной параметра v=v ∗. Выбор оптимального значения параметра v=v ∗, соответствующего минимальному или близкому к нему уровню пульсаций аэродинамической нагрузки на лопатках второго венца, может быть определен по формулам:
;
, , T=θ/ω,
F
где t - время; v∗ - значение параметра v обеспечивающее минимальное значение величины δ ; v - безразмерный параметр, однозначно определяющий взаимное окружное расположение крайних венцов; θ - общий угловой период крайних венцов в группе; ω - угловая скорость вращения среднего венца относительно крайних венцов в группе; σ - поверхность лопатки среднего венца в группе;  - единичный вектор внешней нормали к поверхности σ; P - давление потока в точке поверхности σ.
Указанные конструкции турбомашин и подходы к активному снижению шума турбины имеют ряд существенных недостатков.
В прототипе и аналоге не учтено значительное влияние на следовую неравномерность, являющуюся основным источником шума в решетке, таких параметров, как угол установки профиля, ширина решетки, максимальная кривизна профиля и величина осевого зазора. Без учета этих параметров можно не только не получить эффект снижения аэродинамического шума, а наоборот - усилить его за счет расположения лопаток венца второй ступени в зонах наибольших следовых неравномерностей и турбулизации потока, что вызовет увеличение аэродинамического шума.
Для устранения указанных недостатков предлагается полезная модель осевой турбины ГТД с пониженным уровнем шума.
Преимущество предполагаемой полезной модели заключается, во-первых, в достижении более низких уровней аэродинамического шума и, во-вторых, в универсальности - т.е. применимости к любому диапазону геометрических особенностей статорных и роторных венцов осевых турбомашин.
Технический результат выражается в снижении уровня аэродинамического шума ступени турбины.
Технический результат достигается тем, что в осевой турбине ГТД с пониженным уровнем шума, содержащей группу или группы венцов вида ”статор - ротор - статор” и/или ”ротор - статор - ротор” компрессорного и/или турбинного типа числа лопаток всех венцов равны или кратны и их взаимное окружное расположение определено расстоянием в окружном направлении от выходных кромок предыдущего венца до входных кромок последующего, равным
o
где Δ - величина осевого зазора, γ - угол установки предыдущего профиля.
Схема предполагаемой полезной модели показана на Фиг.
o
Ступень турбины состоит из статорного (1) и роторного (2) венцов. Лопатки статорной решетки установлены под углом у к фронту решетки. Лопатки последующего венца располагаются следующим образом: входные кромки лопаток рабочей решетки отстоят от выходных кромок решетки статора на расстояние, равное  (Δ - величина осевого зазора, γ - угол установки предыдущего профиля).
о
При разработке предполагаемой полезной модели использованы результаты экспериментального аэродинамического и акустического исследования плоских моделей турбинных ступеней, на основании которых учтено влияние геометрических параметров решеток на шум, генерируемый при взаимодействии лопаточных венцов. Предлагается устанавливать лопатки второго венца относительно первого (и/или третьего относительно первого и/или второго) в окружном направлении со смещением по выходной кромке на расстояние , где Δ - величина осевого зазора, γ - угол установки предыдущего профиля. При этом числа лопаток всех венцов равны или кратны.
При работе турбины и протекании через лопаточные венцы трактового газа сходят закромочные следы (3), представляющие собой сильно закрученные вторичные потоки, вызывающие следовую неравномерность параметров в выходном сечении решетки и, соответственно, входном сечении в рабочую решетку. Следовая неравномерность потока рабочего тела является причиной генерации шума.
Конструкцией предполагаемой модели достигается эффект, при котором в условиях любой геометрии решеток закромочные следы будут попадать на входные кромки лопаток, что способствует снижению аэродинамического шума ступени.