РАБОЧЕЕ КОЛЕСО ОСЕВОГО ВЕНТИЛЯТОРА ИЛИ КОМПРЕССОРА И ВЕНТИЛЯТОРНЫЙ КОНТУР ДВУХКОНТУРНОГО ТУРБОВЕНТИЛЯТОРНОГО ДВИГАТЕЛЯ, ИСПОЛЬЗУЮЩИЙ ТАКОЕ РАБОЧЕЕ КОЛЕСО
AXIAL-FLOW FAN OR COMPRESSOR IMPELLER AND FAN OF BYPASS FANJET INCORPORATING SAID IMPELLER

Область техники.
Изобретение относится к технической физике, более конкретно к компрессорам необъемного вытеснения, а именно к конструктивным элементам вентиляторов, компрессоров, и может быть использовано в конструкции осевых вентиляторов, вентиляторных контурах двухконтурных турбовентиляторных двигателей (ДТРД) для улучшения их характеристик: снижения потерь на входе и концевых потерь, повышения их напорных, тяговых характеристик.
Уровень техники.
Известна осевая машина, содержащая рабочее колесо, состоящее из консольных лопастей, закрепленных на втулке. Рабочее колесо устанавливается в цилиндрическом кожухе с некоторым зазором, а торцевые кромки лопаток выполнены по цилиндрической поверхности. (См. В.М.Черкасский. Насосы. Вентиляторы. Компрессоры. М., Энергия, 1977, с.211). КПД такой машины очень зависит от зазора колеса относительно кожуха.
В технике широко известны двухконтурные турбореактивные двигатели, второй контур которых содержит лопаточное рабочее колесо в виде вентилятора, содержащее лопатки большого удлинения, установленные на втулке. Такой вентилятор создает избыточное давление и служит для создания тяги (см. А.Л.Клячкин. Теория воздушно-реактивных двигателей. Машиностроение. М., 1969, с.305-309).
Следует отметить, что по способу работы рабочие колеса вентилятора и компрессора идентичны, разница в том, что вентилятор, в отличие от компрессора, создает меньшую степень повышения давления.
Известно также рабочее лопаточное колесо, содержащее большое число широких тонких саблевидных лопастей уменьшенного диаметра, установленных на втулке, и используемого в качестве воздушного винта и называемого винтовентилятором (см. Авиация. Энциклопедия. Под редакцией Г.П.Свищёва. Большая российская энциклопедия. ЦАГИ им. проф. Н.Е.Жуковского. М., 1994, с.152). Такое лопаточное колесо, как и всякий воздушный винт, предназначено для преобразования крутящего момента от двигателя в тягу, за счет повышения давления за винтом.
Известно также рабочее колесо высокооборотного осевого вентилятора или компрессора, предназначенное для использования на газотурбинных двигателях и выполненное в виде большого числа S-образных лопастей сложной пространственной формы, установленных на диске. Из вышесказанного вытекает то, что рабочие колеса воздушных винтов и вентиляторов ГТД сближаются по своей конструкции.
Известно техническое решение, принятое за прототип, в котором рабочие колеса ступени осевого компрессора имеют лопаточные венцы с внешними торцевыми поверхностями кромок, снабженные кольцевым бандажом, выполненным в виде внешнего силового кольца (См. патенты РФ №№221138, 2334900, МПК F04D 29/34). Кольцевой бандаж позволяет уменьшить перетекание потока, однако концевые потери остаются, поскольку возникающий концевой вихрь загромождает сечение вентилятора, да и перетекание потока все еще остается, а введение дополнительных лопаток усложняет конструкцию, не устраняя концевых потерь полностью.
Наиболее близким к изобретению является рабочее колесо высокооборотного осевого вентилятора или компрессора, содержащее установленные во втулке лопатки, каждая из которых имеет сложную пространственную форму, образованную сверхзвуковыми аэродинамическими профилями в поперечных сечениях, причем профили поперечных сечений рабочей лопатки расположены по высоте таким образом, что центры тяжести профилей в меридиональной плоскости находятся на кривой линии, имеющей вынос вперед в периферийной части и выпуклость в средней части. Передняя кромка лопатки имеет обратную стреловидность в периферийной части и уравновешивающую ее выпуклость в средней части передней лопатки. Как следует из чертежей, представленных в патенте, торцевая кромка лопаток выполнена по цилиндру с радиусом Rпep. и составляет соответствующий зазор с воздушным трактом вентилятора (Патент RU 02354854, F04D 29/32, 2009).
Как следует из описания, изобретение направлено на повышение газодинамической устойчивости вентилятора за счет исключения изгибно-крутильного флаттера лопаток рабочего колеса.
Однако известное рабочее колесо имеет большие концевые потери, вызванные перетеканием потока у концов лопаток.
Известны современные турбовентиляторные двигатели, например двигатели фирмы PRATT&WHITNEY серии JT9D, или Д-436 ЗМКБ «ПРОГРЕСС» (см. Двигатели 1944-2000 авиационные, ракетные, морские, промышленные. Серия «Отечественная авиационная и ракетно-космическая техника», М.: «АКС-КОНВЕРСАЛТ», 2000 г., стр.352, 328), выполненные по обычной (вышеупомянутой) схеме. При этом общий вентилятор помещен в воздушный тракт, выполненный в виде конфузора по месту размещения вентилятора, что приводит к увеличению сопротивления воздушного тракта.
Существует большое разнообразие двухконтурных турбореактивных двигателей (ДТРД), содержащих основной контур (газогенератор) и второй (вентиляторный) контур. Новые чаще всего выполняют с передним расположением вентилятора (часто общим для обоих контуров) и с коротким воздушным трактом второго контура.
Наиболее близким к изобретению является вентиляторный контур ДТРД, включающий газогенератор с редуктором, содержащий рабочее колесо вентилятора, приводимое во вращение газогенератором и размещенное в корпусе наружного контура, установленном с помощью стоек на газогенераторе и выполненным с воздухозаборником, спрямляющим аппаратом и соплом. Воздушный тракт второго (вентиляторного) контура обычно образован наружным кожухом, имеющим цилиндрическую внутреннюю поверхность. При этом рабочее колесо вентилятора выполнено с лопатками, имеющими торцевые кромки, выполненные по цилиндрической поверхности с зазором относительно внутренней поверхности (См. А.Л.Клячкин. Теория воздушно-реактивных двигателей. М., Машиностроение, 1969, с.305-309, Рис.17.7, 17.8, 17.9).
н
Существующим конструкциям лопаточным рабочим колесам, ступеням вентиляторов и, следовательно, вентиляторным контурам турбовентиляторных двигателей присущ ряд недостатков, снижающих кпд вентиляторов и эффективность вентиляторных контуров. Так в большинстве случаев «... лопатки первых ступеней особенно вентиляторов выполняются с малым относительным диаметром втулки на входе d=0,35…0,4. Если иметь в виду, что наружный диаметр современных вентиляторов составляет ≈ 2 м, то ясно, что первые ступени имеют очень длинную лопатку и масса вентилятора составляет ощутимый процент в массе двигателя. С целью уменьшения массы вентилятора до последнего времени лопатки вентилятора выполняли с большим удлинением h=h/b=3,5…4,0. При таких величинах удлинений лопатки становятся недостаточно жесткими и в них возникают большие вибрационные напряжения. Для уменьшения этих напряжений лопатки выполняют с антивибрационными полками. Помимо усложнения технологии изготовления лопаток с полками постановка антивибрационных полок снижает кпд ступени.» (См. К.В.Холщевников, О.Н.Емин, В.Т.Митрохин. Теория и расчет авиационных лопаточных машин. М., «Машиностроение», 1986, с.170).
Там же дается типичное распределение потерь, возникающих при обтекании лопаток вентилятора. Из графика следует, что концевые потери, потери от бандажных полок сравнимы по величине с профильными и составляют значительную величину, снижающую кпд вентилятора. И если от потерь от бандажных полок можно избавиться за счет их устранения, то вибрационные напряжения, также снижающие эффективность вентилятора, остаются, несмотря на увеличение хорды лопаток. Концевые потери у наружных концов лопаток объясняются наличием перетекания потока с напорной стороны лопатки на наружную поверхность, где создается разрежение, из-за концевого зазора, влияние которого на потери очень велико. Так отмечается «…При изменении относительного зазора на 1% КПД изменяется на 0,02.» (См. там же, с.178). Различные меры по уменьшению зазора не приводят к решению проблемы, так как наружный кожух вентиляторного контура у современных двигателей имеет недостаточную жесткость и к тому же закреплен только задней своей частью, что приводит к значительным деформациям конструкции в полете, не позволяющим снижать зазор.
Кроме того, высокая окружная скорость потока современных вентиляторов рождает значительные центробежные силы, создающие на поверхности воздушного тракта значительные давления, что в условиях цилиндрического тракта, или, что еще хуже, в конфузорном тракте, приводит к снижению расходных характеристик.
Таким образом, существующими конструкциями осевых вентиляторов задача устранения концевых потерь на лопаточных венцах не решена.
Сущность изобретения.
Задачей изобретения является разработка такой конструкции рабочего колеса ступени осевого вентилятора или компрессора, которая позволила бы исключить концевые потери и повысить его коэффициент полезного действия.
Кроме того, конструкция должна позволить повысить напорность осевого вентилятора.
Более того, конструкция вентиляторного контура ДТРД, использующая такое рабочее колесо, должна иметь более высокие тяговые характеристики при снижении вибрационных напряжений.
Технический результат достигается тем, что в рабочем колесе вентилятора или компрессора, содержащем установленные во втулке лопатки с внешними торцевыми поверхностями кромок, согласно изобретению внешние торцевые поверхности кромок лопаток выполнены конусными, как бы лежащими на поверхности усеченного конуса, меньшее основание которого имеет диаметр, равный диаметру передней кромки торцевой поверхности лопаток, а диаметр по задней кромке торцевой поверхности лопаток выполнен больше диаметра по передней кромке торцевой поверхности и образует большее основание конуса, имеющего высоту, равную осевой ширине концевой части лопаток.
Кроме того, рабочее колесо осевого вентилятора или компрессора может быть снабжено кольцевым бандажом, выполненным в виде внешнего силового кольца, при этом внешнее силовое кольцо выполнено конусным, в виде усеченного полого конуса, внутренняя поверхность которого соответствует торцевым поверхностям лопаток, связано с лопатками и может быть снабжено дополнительной полочкой.
Более того, рабочее колесо осевого вентилятора или компрессор может быть выполнено с конусными кромками лопаток, угол конусности которых составляет 10-120°.
Также технический результат достигается тем, что в вентиляторном контуре двухконтурного турбовентиляторного двигателя, включающего газогенератор с редуктором, содержащий рабочее колесо, приводимое во вращение газогенератором и размещенное в корпусе наружного контура, установленном с помощью стоек на газогенераторе и выполненным с воздухозаборником, спрямляющим аппаратом и соплом, согласно изобретению рабочее колесо выполнено с лопатками, торцевые поверхности кромок которых выполнены конусными…, а корпус наружного контура выполнен на своей внутренней поверхности с диффузором по месту установки рабочего колеса.
Кроме того, в вентиляторном контуре двухконтурного
турбовентиляторного двигателя рабочее колесо может быть выполнено с конусным бандажом, выполненным в виде внешнего силового кольца.
Также рабочее колесо вентилятора может быть выполнено с конусным бандажом, снабженным дополнительной полочкой, выполненной заодно целое с конусным бандажом и простирающейся назад по направлению движения воздуха.
Более того, в вентиляторном контуре двухконтурного турбовентиляторного двигателя спрямляющий аппарат может быть выполнен в виде радиальных продольных тонкостенных перегородок, установленных на внутренней поверхности корпуса наружного контура, при этом внутренние кромки перегородок связаны между собой тонкостенной кольцевой проставкой, причем спрямляющий аппарат может быть выполнен с высотой радиальных продольных тонкостенных перегородок, равной 0,7-0,8 радиального размера сечения сопла.
Такое выполнение вентилятора и вентиляторного контура позволяет улучшить их характеристики.
Перечень фигур.
На представленных чертежах:
Фиг.1 показывает общий вид спереди вентилятора, выполненного в соответствии с изобретением;
Фиг.2 показывает концевую часть лопатки рабочего колеса, установленного в воздушном тракте вентилятора (продольный разрез по А-А рабочего колеса);
Фиг.3 показывает общий вид спереди вентилятора, выполненного в соответствии с изобретением и снабженного внешним кольцевым бандажом;
Фиг.4 показывает концевую часть лопатки рабочего колеса, снабженного внешним кольцевым бандажом, установленного в воздушном тракте вентилятора (продольный разрез по В-В рабочего колеса);
Фиг.5 показывает концевую часть лопатки рабочего колеса, снабженного внешним кольцевым бандажом с дополнительной полочкой, установленного в воздушном тракте вентилятора (продольный разрез рабочего колеса);
Фиг.6 показывает общий вид ДТРД с вентиляторным контуром, выполненным в соответствии с изобретением, в продольном разрезе;
Фиг.7 показывает разрез по С-С на фиг.6.
Осуществление изобретения.
В соответствии с изобретением возможны следующие варианты осуществления лопаточного рабочего колеса.
Рабочее колесо 1 (см. фиг.1) содержит втулку 2 и венец, составленный из лопаток 3, установленных консольно во втулке 2.
Особенностью колеса 1 является форма образования внешней торцевой кромки 4 лопатки 3. Торцевые поверхности внешних кромок 4 лопаток 3 выполнены конусными, т.е. как бы лежащими на поверхности усеченного конуса, меньшее основание которого имеет диаметр, равный диаметру D1 передней кромки 5 торцевой поверхности лопаток 3, а диаметр D2 по задней кромке 6 торцевой поверхности лопаток - D2 выполнен больше диаметра по передней кромке торцевой поверхности и образует большее основание конуса, имеющего высоту h, равную осевой ширине концевой части лопаток 3 (т.е. ширину проекции концевой части лопаток 3 на плоскость, проходящую через ось колеса 1, измеренную вдоль оси). При этом D1<D2, т.е. конус, образующий торцевую поверхность лопаток 3, направлен своим большим основание назад по потоку, проходящему через лопаточную машину, а угол раствора конуса определяется из выражения
tgθ=(D2-D1)/2h,
где h - осевая ширина торцевой части лопатки 3, а θ - половина угла раствора конуса.
В общем случае рабочее колесо 1 может быть выполнено с конусными кромками 4 лопаток 3, угол конусности которых может составлять 6-120°. Большие углы конусности выбираются для вентиляторов, предназначенных для создания высокой его напорности (т.е. создания большего давления за вентилятором при сохранении расходных характеристик). При этом выполнение рабочих колес 1 с конусными кромками с конусностью более 120° приводит к снижению расходных характеристик, а выполнение кромок лопаток с конусностью менее 6° не влияет на концевые потери.
Такое рабочее колесо 1, установленное в тракт вентилятора 7, выполненный в наружном корпусе 8 (см. фиг.2), требует выполнения внутреннего контура тракта 7 в месте установки колеса 1 в виде конической поверхности 9, с углом раствора конуса, равным 2θ. При этом рабочее колесо 1 установлено по отношению к наружному корпусу 8 с необходимым зазором 10.
При работе лопаточного колеса 1, выполненного с коническими торцевыми поверхностями, на воздух, проходящий через лопаточные каналы, действуют центробежные силы 11, лежащие в плоскости вращения колеса 1. Центробежные силы 11 вызывают нормальную силу 12, действующую перпендикулярно поверхности тракта 7 вентилятора и создающую дополнительную тягу, и касательную к поверхности тракта 7 силу 13, вызывающую движение воздуха вдоль тракта 7 вентилятора. Наличие такого потока, создаваемого касательными силами 14, затрудняет и уменьшает перетекание потока у конца лопатки, способствуя повышению КПД рабочего колеса.
Рабочее колесо 1 (см. фиг.3), содержащее втулку 2 и лопатки 3, может быть выполнено с кольцевым бандажом 15, установленным на внешних торцевых поверхностях кромок 4 лопаток 1. При этом кольцевой бандаж 15 выполнен конусным, в виде усеченного полого конуса, внутренняя поверхность которого соответствует поверхности усеченного конуса, образующего торцевые поверхности лопаток (см. фиг.1).
Сам кольцевой бандаж 15 может быть выполнен из легких металлов (алюминиевых или титановых сплавов) и усилен композиционными материалами, либо выполнен полностью из композиционных материалов. Целесообразно, чтобы лопатки 3 были закреплены не только во втулке 2, но были бы связаны своими внешними торцевыми поверхностями с внешним кольцевым бандажом 15, образуя единую, жесткую конструкцию колеса 1, предотвращающую не только колебания лопаток 3, но и их разрушение по месту крепления во втулке 2.
Рабочее колесо 1 с бандажом 15, установленное в тракт 7 вентилятора, выполненный в наружном корпусе 16 (см. фиг.5), требует выполнения внутреннего контура тракта 7 в месте установки колеса 1 в виде конической поверхности 17, с углом раствора, равным 2θ. При этом рабочее колесо 1 установлено по отношению к наружному корпусу 16 с необходимым зазором 18.
При работе лопаточного колеса 1, выполненного с внешним кольцевым бандажом 15, на воздух, проходящий через лопаточные каналы, действуют центробежные силы, лежащие в плоскости вращения колеса 1. Центробежная сила вызывает нормальную силу, действующую перпендикулярно внутренней поверхности бандажа 15 и создающую дополнительную тягу, и касательную к поверхности бандажа 15 силу, вызывающую движение воздуха вдоль тракта 7 вентилятора. Наличие такого потока, создаваемого касательными силами, затрудняет и уменьшает перетекание потока у конца лопатки 3, способствуя повышению КПД рабочего колеса.
Однако выполнение кольцевого бандажа 15 с задней кромкой, совпадающей с задней кромкой лопатки, не предохраняет от возникновения вихрей, ухудшающих характеристики вентилятора.
Рабочее колесо 1 может быть выполнено с внешним кольцевым бандажом 15, снабженным дополнительной полочкой 12, продляющей внутреннюю поверхность кольцевого бандажа 15 назад по потоку. В этом случае (см. фиг.5) рабочее колесо 1, установленное в тракте 7 вентилятора, и выполненное с конусными торцевыми поверхности внешних кромок 4 лопаток 3, снабжено установленным на них внешним кольцевым бандажом 15. Кольцевой бандаж 15, выполненный в виде усеченного полого конуса, снабжен дополнительной полочкой 19, выполненной заодно целое с кольцевым бандажом 15 и простирающимся назад по направлению движения воздуха. При этом вынос 20 полочки 19 назад от задней кромки 6 лопаток 3 может составить 0,25-1 от осевой ширины концевой части лопаток 3. Наружная поверхность полочки 19 может быть выполнена как продолжение наружной конусной поверхности кольцевого бандажа 15, а внутренняя поверхность полочки 21 может быть выполнена скошенной, сходящей на ус к задней кромке и таким образом увеличивающей угол конусности выходной части кольцевого бандажа 15 на угол 22.
Выполнение внешнего кольцевого бандажа 15 с дополнительной полочкой 19 позволяет усилить эффект скольжения потока, отбрасываемого центробежными силами, и уменьшить таким образом перетекание потока.
Вынос полочки 19 назад от задних кромок 6 лопаток 3 сводит к минимуму вихреобразование, устраняя его причину.
Кроме того, выполнение лопаточного колеса 1 с конусным бандажом 15, снабженным дополнительной полочкой 19, позволяет снизить требования к величине зазора между рабочим лопаточным колесом 1 и конструкцией вентилятора, позволяет увеличить зазор 23 до размеров, обеспечивающих работоспособность вентилятора в условиях наличия деформаций конструкции.
Турбовентиляторный двигатель с вентиляторным контуром, выполненным в соответствии с изобретением, представлен на фиг.7. Двигатель содержит газогенератор 24, приводящий во вращение рабочее колесо 1 вентилятора, через редуктор 25. Вентилятор размещен в корпусе 26 наружного контура, установленного с помощью стоек 27 на газогенераторе 24. Вентилятор выполнен с лопатками 3, торцевые кромки которых выполнены конусными. Корпус 26 наружного контура выполнен с воздухозаборником 28, переходящим в диффузор 29, который в свою очередь переходит в сужающееся сопло 30, образованное внутренней поверхностью хвостовой части корпуса 26 наружного контура и наружной поверхностью передней части двигателя. Сопло 30 снабжено спрямляющим аппаратом 31. Спрямляющий аппарат 31 может быть выполненным в виде установленных радиально спрямляющих лопаток. Однако венец из спрямляющих лопаток создает значительное аэродинамическое сопротивление, и с целью его снижения целесообразно спрямляющий аппарат выполнять из радиальных продольных тонкостенных перегородок 32, установленных на внутренней поверхности корпуса 26 наружного контура. Нет необходимости выполнять тонкостенные перегородки 32 по всей высоте сечения сопла 31. Целесообразно выполнять стенки с высотой, равной 0,7-0,8 радиального размера сечения сопла 31, что позволяет выпрямлять более 90- 95% потока. При выполнении перегородок 32 с высотой менее 0,7 уменьшается спрямляющий эффект перегородок, т.е. уменьшается тяга, а при выполнении перегородок с высотой более 0,8 не влияет существенно на увеличение тяги, но приводит к значительному сопротивлению воздушного тракта.
Внутренние кромки перегородок 32 связаны между собой тонкостенной кольцевой проставкой 33, что обеспечивает жесткость конструкции спрямляющего аппарата 31.
При этом спрямляющий аппарат 31 создает минимальное аэродинамическое сопротивление за счет отсутствия индуктивного сопротивления и выполнения его из композиционных материалов с низким коэффициентом трения.
Диффузор 29 выполнен с конусностью 10-40°, т.е. угол расхождения образующей диффузора 29 с осью двигателя равен 5-20°. При выполнении диффузора 29 с углом расхождения меньше 5° пропадает эффект скольжения радиального потока назад, а при выполнении угла расхождения более 20° увеличивается аэродинамическое сопротивление двигателя за счет увеличения диаметра корпуса 26 наружного контура.
Вентилятор ДТРД может быть выполнен с лопатками 3, внешние торцевые поверхности кромок 4 которых выполнены конусными, как бы лежащими на поверхности усеченного конуса, меньшее основание которого имеет диаметр, равный диаметру D1 передней кромки 5 торцевой поверхности лопаток 3, а диаметр D2 по задней кромке 6 торцевой поверхности лопаток 3 выполнен больше диаметра D1 по передней кромке 5 торцевой поверхности и образует большее основание конуса, имеющего высоту h, равную осевой ширине концевой части лопаток (см. фиг.2).
Кроме того, лопатки 3 могут быть снабжены установленным на них конусным кольцевым бандажом 15, выполненным в виде внешнего силового кольца. Кроме того, вентилятор может быть выполнен с конусным бандажом 15, снабженным дополнительной полочкой 19, выполненной заодно целое с кольцевым бандажом 15 и простирающимся назад по направлению движения воздуха. Это позволяет снизить требования к величине зазора между рабочим лопаточным колесом 1 и конструкцией вентилятора. В этом случае корпус 26 наружного контура может быть выполнен с большим зазором от торцевых кромок 4 лопаток 3, т.к. проблема перетекания потока решается за счет применения внешнего конусного бандажа 15, снабженного дополнительной полочкой 19.
При работе такого двигателя поток воздуха, проходящий через вентилятор, отбрасывается центробежными силами, действующими в плоскости вращения, на конусную внутреннюю поверхность 9 воздушного тракта 7 или на конусную внутреннюю поверхность внешнего кольцевого бандажа 15, что приводит к появлению скольжения потока назад и вдоль оси двигателя. Такое «соскальзывание» потока под действием давления, создаваемого центробежными силами, с одной стороны не создает препятствия потоку воздуха на входе в двигатель, а с другой стороны препятствует перетеканию потока по торцу рабочего колеса, что приводит к снижению концевых потерь.
Кроме того, повышаются расходные характеристики вентиляторного контура за счет уменьшения его сопротивления на входе.
Более того, выполнение спрямляющего аппарата в виде радиальных продольных тонкостенных перегородок обеспечивает повышение эффективности выпрямления потока, снижение сопротивления контура на выходе.
Эти обстоятельства приводят к повышению кпд и повышению тяговых характеристик вентиляторного контура и всего двигателя в целом.