ЛОПАТКА ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ, ВЫПОЛНЕННАЯ ПО ПРАВИЛУ ПРОГИБА ПРОФИЛЯ ПЕРА, С БОЛЬШИМ ЗАПАСОМ ПО ФЛАТТЕРУ
GAS TURBINE ENGINE BLADE MADE ACCORDING TO THE RULE OF DEFLECTION OF THE BLADE PROFILE WITH A LARGE FLUTTER MARGIN

Область техники, которой относится изобретение
Изобретение относится к области лопаток газотурбинного двигателя и, в частности, к области лопаток ротора газотурбинного двигателя.
В частности, изобретение предназначено для использования в вентиляторах, расположенных внутри турбореактивного двигателя или газотурбинного двигателя.
Уровень техники
Газотурбинный двигатель содержит по меньшей мере одно лопаточное колесо, например, вентилятор, который имеет множество лопаток, расположенных радиально вокруг центральной оси, например, вокруг диска.
Такое лопаточное колесо образует либо ротор, если речь идет о подвижном лопаточном колесе или диске, выполненном за одно целое с лопатками, либо статор.
Лопатки можно рассматривать как выступы относительно сплошного кольца. Две соседние лопатки и кольцо образуют проход для воздушного потока.
Ближний конец каждой лопатки относительно центральной оси обычно называют корневой частью лопатки. В частности, корневая часть лопатки в данном случае представляет собой часть лопатки, находящуюся над кольцом.
Дальний конец обычно называют концевой частью лопатки. Расстояние между корневой частью и концевой частью лопатки известно как высота лопатки.
Между корневой частью и концевой частью лопатки лопатка может быть теоретически представлена как набор сечений или аэродинамических профилей, перпендикулярных к радиальной оси Z.
Лопатка является сложной в изготовлении деталью, так как она связана одновременно с аэродинамическими, механическими и акустическими аспектами лопаточного колеса и газотурбинного двигателя.
При проектировании лопатки и лопаточного колеса необходимо учитывать одновременно аэродинамические характеристики, механическую прочность и уменьшение массы, шума и стоимости.
Проектирование должно гарантировать минимальный срок службы лопатки и диска, на котором закреплены лопатки.
Проектирование должно гарантировать минимальную вибрационную стойкость лопаточного колеса, то есть достаточную стойкость к вибрациям, или допустимый уровень вибрации для обеспечения механической прочности.
Лопаточное колесо должно обладать прочностью при попадании внутрь посторонних тел или прочностью при потере лопатки, то есть стойкостью лопаточного колеса в ситуациях, когда лопатка частично или полностью отделяется от диска.
При проектировании лопатки и лопаточного колеса следует учитывать явление флаттера.
Флаттер является аэромеханическим явлением, связанным с относительным движением воздуха по отношению к конструкции лопаток и лопаточного колеса. Флаттер является процессом автоколебаний, при этом изменение движения твердой конструкции приводит к изменению потока текучей среды, а изменение потока текучей среды создает силы, действующие на твердую конструкцию. Флаттер может быстро усиливаться и приводить к разрушению лопатки вентилятора и даже к повреждению двигателя.
Флаттер тесно связан с профилем конструкции, поэтому трудно устранить и даже ограничить явление флаттера после его обнаружения при работе вентилятора.
При этом остается возможность исключить некоторые рабочие зоны, чтобы ограничить риски, связанные с флаттером, но это неизбежно влечет за собой сокращение условий полета, в которых может работать вентилятор.
В документе US 2018/0100399 А1 представлен способ, предназначенный для профилирования лопатки ротора турбины с учетом явления флаттера.
Таким образом, существует потребность в лопатке и лопаточном колесе, в которых рабочая зона, подверженная флаттеру, как можно дальше удалена от номинальной рабочей зоны, то есть потребность в лопатке и лопаточном колесе, которые имеют как можно больший запас по флаттеру.
Раскрытие сущности изобретения
Общей задачей изобретения является преодоление недостатков, присущих известным лопаткам и вентиляторам.
В частности, изобретение призвано предложить решение, повышающее запас по флаттеру.
Изобретение призвано также предложить решение, повышающее запас по флаттеру без увеличения массы лопатки.
В рамках настоящего изобретения задача решается, благодаря лопатке ротора газотурбинного двигателя, содержащей переднюю кромку, заднюю кромку, корытце и спинку, в которой:
- соотношение между максимальным прогибом профиля и хордой на половине высоты лопатки составляет от 25% до 45% соотношения между максимальным прогибом профиля и хордой в корневой части лопатки,
- соотношение между максимальным прогибом профиля и хордой в концевой части лопатки составляет от 25% до 40% соотношения между максимальным прогибом профиля и хордой в корневой части лопатки.
Такое устройство предпочтительно дополнено различными следующими отличительными признаками отдельно или в комбинации:
- соотношение между максимальным прогибом профиля и хордой на половине лопатки составляет от 30% до 35% и предпочтительно равно примерно трети соотношения между максимальным прогибом профиля и хордой в корневой части лопатки;
- соотношение между максимальным прогибом профиля и хордой в концевой части лопатки составляет от 30% до 35% и предпочтительно равно примерно трети соотношения между максимальным прогибом профиля и хордой в корневой части лопатки;
- соотношение между максимальным прогибом профиля и хордой в корневой части лопатки составляет от 10% до 20% и предпочтительно от 14% до 17%,
- соотношение между максимальным прогибом профиля и хордой на половине высоты лопатки составляет от 4% до 7%, предпочтительно от 4,7% до 5,7%,
- изменение по высоте соотношения между максимальным прогибом профиля и хордой каждого сечения лопатки находится между:
- первой функцией, определяемой
- первым участком прямой, определяемым соотношением между максимальным прогибом профиля и хордой в корневой части лопатки, равным 14%, и соотношением между максимальным прогибом профиля и хордой на половине высоты лопатки, равным 4,7%, и
- вторым участком прямой, определяемым соотношением между максимальным прогибом профиля и хордой на половине высоты лопатки, равным 4,7%, и соотношением между максимальным прогибом профиля и хордой в концевой части лопатки, равным 4,7%, и
- второй функцией, определяемой
- третьим участком прямой, определяемым соотношением между максимальным прогибом профиля и хордой в корневой части лопатки, равным 17%, и соотношением между максимальным прогибом профиля и хордой на половине высоты лопатки, равным 5,7%, и
- четвертым участком прямой, определяемым соотношением между максимальным прогибом профиля и хордой на половине высоты лопатки, равным 5,7%, и соотношением между максимальным прогибом профиля и хордой в концевой части лопатки, равным 5,7%.
- изменение по высоте соотношения между максимальным прогибом профиля и хордой является функцией, определяемой двумя участками прямой, с одной стороны, между корневой частью и половиной высоты лопатки, с другой стороны, между половиной высоты и концевой частью лопатки,
- соотношение между максимальным прогибом профиля и хордой сечения лопатки уменьшается, когда высота сечения увеличивается от корневой части лопатки к половине высоты лопатки, затем сохраняет почти постоянное значение соотношения между максимальным прогибом профиля и хордой между половиной высоты лопатки и концевой частью лопатки.
Объектом изобретения является также вентилятор газотурбинного двигателя, содержащий множество описанных выше лопаток ротора.
Объектом изобретения является также газотурбинный двигатель, который содержит такой вентилятор.
Краткое описание чертежей
Другие отличительные признаки и преимущества изобретения будут более очевидны из нижеследующего описания, представленного исключительно в качестве иллюстративного и неограничивающего примера, со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
на фиг. 1схематично показан газотурбинный двигатель, вид в продольном разрезе;
на фиг. 2 схематично показан ротор вентилятора газотурбинного двигателя, вид в перспективе;
на фиг. 3 схематично показана часть ротора, изображенного на фиг. 2, вид в перспективе;
на фиг. 4 схематично показано сечение лопатки;
на фиг. 5 представлен график, показывающий изменение, между корневой частью и концевой частью лопатки, отношения максимального прогиба профиля к хорде лопатки в соответствии с изобретением;
на фиг. 6 схематично показаны рабочие линии вентилятора согласно варианту осуществления изобретения и известного вентилятора.
Осуществление изобретения
Газотурбинный двигатель - Общие положения
На фиг. 1 схематично показан газотурбинный двигатель, в частности, двухконтурный осевой турбореактивный двигатель 1. Показанный турбореактивный двигатель 1 содержит вентилятор 2, компрессор 3 низкого давления, компрессор 4 высокого давления, камеру 5 сгорания, турбину 6 высокого давления и турбину 7 низкого давления.
Вентилятор 2 и компрессор 3 низкого давления соединены с турбиной 7 низкого давления через первый трансмиссионный вал 9, тогда как компрессор 4 высокого давления и турбина 6 высокого давления соединены через второй трансмиссионный вал 10.
Во время работы воздушный поток, сжатый компрессорами 3 и 4 низкого и высокого давления, поддерживает горение в камере 5 сгорания, при этом расширение газообразных продуктов горения приводит во вращение турбины 6, 7 высокого и низкого давления. Через валы 9 и 10 турбины 6, 7 приводят в действие вентилятор 2 и компрессоры 3, 4. Воздух, нагнетаемый вентилятором 2, и газообразные продукты горения, выходящие из турбореактивного двигателя 1 через реактивное сопло (не показано) на выходе турбин 6, 7, создают реактивную тягу, действующую на турбореактивный двигатель 1 и через него на транспортное средство или летательный аппарат, такой как самолет (не показан).
Каждый компрессор 3, 4 и каждая турбина 6, 7 турбореактивного двигателя 1 содержат несколько ступеней, при этом каждая ступень образована неподвижным лопаточным колесом или статором и вращающимся лопаточным колесом или ротором.
На фиг. 2 схематично показан ротор 11 вентилятора газотурбинного двигателя. Этот ротор 11 содержит множество лопаток 12, расположенных радиально вокруг оси вращения А ротора 11, которая по существу является параллельной общему направлению прохождения рабочей текучей среды через турбореактивный двигатель 1.
Лопатки 12 могут представлять собой детали, отдельные от остальной части ротора, и могут быть соединены с ним при помощи известных средств крепления, таких как штыревые крепления или крепления елочного типа.
На фиг. 3 представлен схематичный детальный вид в перспективе ротора, показанного на фиг. 2. Каждая лопатка 12 имеет пространственную систему координат с тремя ортогональными осями Х, Y и Z.
Ось Х проходит параллельно оси вращения А ротора 11, ось Y является касательной к направлению вращения R лопатки 12 вокруг оси вращения А, и ось Z является радиальной осью в направлении, проходящем через ось вращения А.
Каждая лопатка 12 содержит корневую часть 13 лопатки и концевую часть 14 лопатки, разделенные высотой h лопатки в направлении радиальной оси Z.
Между корневой частью 13 лопатки и концевой частью 14 лопатки лопатку 12 можно теоретически представить как набор сечений или аэродинамических профилей 15 в плоскостях, перпендикулярных к радиальной оси Z.
Лопатку ротора газотурбинного двигателя можно описать как содержащую множество сечений лопатки, уложенных друг на друга в виде стопы вдоль оси Z между корневой частью лопатки и концевой частью лопатки, определяющими между собой высоту h лопатки. Такая плоскость Р показана на фиг. 3 и 4.
Лопатка 12 содержит переднюю кромку 16 в направлении входа, заднюю кромку 17 в направлении выхода, спинку 18 и корытце 19.
Каждое сечение лопатки можно описать как содержащее переднюю кромку и заднюю кромку.
В роторе компрессора или вентилятора направление вращения R при нормальной работе является таким, что каждая лопатка 12 перемещается в направлении своего корытца 19.
На фиг. 4 схематично показано сечение 15 лопатки с линией хорды 25 и линией изгиба 27.
Линия хорды 25 является участком, то есть отрезком прямой, соединяющим переднюю кромку 16 и заднюю кромку 17 в этом сечении 15.
В настоящем тексте применяемый отдельно термин «хорда» использован, чтобы обозначить длину участка, соответствующую линии хорды, то есть расстояние между этими двумя наиболее удаленными точками.
Линия 27 изгиба является кривой линией, соответствующей средней линии между кривой линией спинки 18 и кривой линией корытца 19 в указанном сечении 15. В частности, линия изгиба образована всеми точками, находящимися на равном расстоянии от спинки 18 и от корытца 19. Расстояние от конкретной точки до спинки (или до корытца) в данном случае определено как минимальное расстояние между конкретной точкой и точкой спинки (или корытца).
На этой фиг. 4 двойными стрелками также показаны:
- максимальная толщина 26 сечения (максимальное расстояние между спинкой 18 и корытцем 19) в направлении, перпендикулярном к линии хорды,
- максимальное расстояние или максимальный прогиб профиля 28 между хордой 25 и линией изгиба 27; максимальный прогиб профиля соответствует максимальной длине участка, перпендикулярного к линии хорды и соединяющего точку линии хорды и точку линии изгиба;
- центр тяжести CG сечения лопатки, который является барицентром масс сечения лопатки. Положение центра тяжести определено в плоскости сечения относительно оси Z, то есть координатами по осям Х и Y в указанном сечении.
Правило максимального прогиба профиля
Значения максимального прогиба профиля лопаток меняются в зависимости от высоты сечения, которая соответствует им на высоте лопатки.
Авторы изобретения установили, что специальные правила максимального прогиба профиля обеспечивают намного лучший запас по флаттеру.
В частности, это относится к случаю, когда соблюдены следующие соотношения:
- соотношение между максимальным прогибом профиля и хордой на половине высоты лопатки составляет от 25% до 40% соотношения между максимальным прогибом профиля и хордой в корневой части лопатки,
- соотношение между максимальным прогибом профиля и хордой в концевой части лопатки составляет от 25% до 40% соотношения между максимальным прогибом профиля и хордой в корневой части лопатки.
Наилучший запас достигается также, если соотношение между максимальным прогибом профиля и хордой на половине высоты лопатки составляет от 30% до 35% и предпочтительно равно примерно одной трети соотношения между максимальным прогибом профиля и хордой в корневой части лопатки. «Равно примерно одной трети» в данном случае значит «равно одной трети плюс или минус один процент».
Соотношение между максимальным прогибом профиля и хордой в концевой части лопатки может также составлять от 30% до 35% и предпочтительно равно примерно одной трети соотношения между максимальным прогибом профиля и хордой в корневой части лопатки.
В частности, правило максимального прогиба профиля позволяет проверить другие характеристики, тоже способствующие увеличению запаса по флаттеру, например:
Соотношение между максимальным прогибом профиля и хордой в корневой части лопатки составляет от 10% до 20% и предпочтительно от 14% до 17%.
Соотношение между максимальным прогибом профиля и хордой на половине высоты лопатки составляет от 4% до 7%, предпочтительно от 4,7% до 5,7%.
Соотношение между максимальным прогибом профиля и хордой в концевой части лопатки составляет от 4% до 7%, предпочтительно от 4,7% до 5,7%.
Эти характеристики позволяют, в частности, получить такое изменение соотношения между максимальным прогибом профиля и хордой, при котором происходит сильное уменьшение соотношения между максимальным прогибом профиля и хордой от корневой части лопатки к половине высоты лопатки, затем сохраняется почти постоянное значение соотношения между максимальным прогибом профиля и хордой между половиной высоты лопатки и концевой частью лопатки.
В варианте лопатка может также отвечать предложенному правилу максимального прогиба профиля в виде двухсторонних оценок величины:
Соотношение между максимальным прогибом профиля и хордой на 0% высоты лопатки заключено между значениями r и s.
Соотношение между максимальным прогибом профиля и хордой на 50% высоты лопатки заключено между значениями t и u.
Соотношение между максимальным прогибом профиля и хордой на 100% высоты лопатки заключено между значениями v и w.
В этом смысле правило максимального прогиба профиля представлено на графике на фиг. 5, где значение соотношения между максимальным прогибом профиля и хордой дается на оси абсцисс, тогда как высота сечения лопатки показана на оси ординат, при этом 0% соответствует точке в корневой части лопатки, а 100% соответствует концевой части лопатки. Значение 50% высоты лопатки находится в зоне половины высоты лопатки. В настоящем тексте зона половины высоты лопатки соответствует интервалу высоты между 45% высоты и 55% высоты лопатки.
На фиг. 5 правило максимального прогиба профиля представлено в виде сплошной кривой 30 на этом графике. Кривая 30 является графическим отображением изменения по высоте соотношения между максимальным прогибом профиля и хордой в зависимости от высоты.
На фиг. 5 шесть пределов r, s, t, u, v и w соотношения между максимальным прогибом профиля и хордой показаны на оси абсцисс, и, в соответствии с этими соотношениями, на оси ординат показаны связанные с ними различные процентные значения высоты.
r может составлять от 17% до 20% и предпочтительно от 17% до 18%;
s может составлять от 10% до 14% и предпочтительно от 13% до 14%;
t может составлять от 5,7% до 7% и предпочтительно от 5,7% до 6%;
u может составлять от 4% до 4,7% и предпочтительно от 4,5% до 4,7%;
v может составлять от 5,7% до 7% и предпочтительно от 5,7% до 6%;
w может составлять от 4% до 4,7% и предпочтительно от 4,5% до 4,7%.
Кривая 30 в виде сплошной линии заключена между двумя предельными кривыми 31 и 32, которые являются двумя кусочно-аффинными кривыми (кривыми, образованными отрезками или участками прямых).
Кривая 31 (штрих-пунктирная линия) в данном случае образована двумя половинами прямой:
- одна из них проходит между точкой, соответствующей значению хорды, равному r для высоты 0%, и точкой со значением хорды, равным t для высоты 50%,
- другая проходит между указанной точкой со значением хорды, равным t для высоты 50%, и точкой, соответствующей значению хорды, равному v для высоты 100%.
Кривая 32 (пунктирная) образована
- половиной прямой, проходящей между точкой со значением хорды, равным s для высоты 0%, и точкой, соответствующей значению хорды, равному u для высоты 50%,
- половиной прямой, проходящей между указанной точкой, соответствующей значению хорды, равному u для высоты 50%, и точкой со значением хорды, равным w для высоты 100%.
Промежуток между двумя кривыми 31, 32 образует коридор, в котором находится график, соответствующий правилу максимального прогиба профиля.
Предложенные правила максимального прогиба профиля соответствуют лопатке, форма которой приближается в ее верхней части к форме плоской пластины. Такой признак позволяет увеличить запас по флаттеру.
Согласно более общему варианту, правило максимального прогиба профиля позволяет проверить другие характеристики, которые тоже способствуют увеличению запаса по флаттеру. Например, правило максимального прогиба профиля лопатки в зависимости от ее высоты может соответствовать изменению по высоте соотношения между максимальным прогибом профиля и хордой каждого сечения лопатки и может находиться между
- первой функцией, определяемой
- первым участком прямой, определяемым соотношением между максимальным прогибом профиля и хордой в корневой части лопатки, равным 14%, и соотношением между максимальным прогибом профиля и хордой на половине высоты лопатки, равным 4,7%, и
- вторым участком прямой, определяемым соотношением между максимальным прогибом профиля и хордой на половине высоты лопатки, равным 4,7%, и соотношением между максимальным прогибом профиля и хордой в концевой части лопатки, равным 4,7%, и
- второй функцией, определяемой
- третьим участком прямой, определяемым соотношением между максимальным прогибом профиля и хордой в корневой части лопатки, равным 17%, и соотношением между максимальным прогибом профиля и хордой на половине высоты лопатки, равным 5,7%, и
- четвертым участком прямой, определяемым соотношением между максимальным прогибом профиля и хордой на половине высоты лопатки, равным 5,7%, и соотношением между максимальным прогибом профиля и хордой в концевой части лопатки, равным 5,7%.
Кривая 30, которая представляет собой графическое отображение изменения по высоте соотношения между максимальным прогибом профиля и хордой, заключена между двумя графическими отображениями определенных выше функций.
В частности, график, соответствующий правилу максимального прогиба профиля, может меняться по двум участкам прямой, с одной стороны, между корневой частью и половиной высоты лопатки, с другой стороны, между половиной высоты и концевой частью лопатки.
Соответственно, изменение по высоте соотношения между максимальным прогибом профиля и хордой может быть функцией, определяемой двумя участками прямой, с одной стороны, между корневой частью и половиной высоты лопатки, с другой стороны, между половиной высоты и концевой частью лопатки.
График может также соответствовать соотношению между максимальным прогибом профиля и хордой сечения лопатки, которое уменьшается, когда высота сечения увеличивается.
В частности, график может соответствовать соотношению между максимальным прогибом профиля и хордой сечения лопатки, которое резко уменьшается, когда высота сечения увеличивается от корневой части лопатки к половине высоты лопатки, затем остается почти постоянным между половиной высоты лопатки и концевой частью лопатки.
Рабочие линии вентилятора газотурбинного двигателя
Показанные на фиг. 6 рабочие линии вентилятора схематично отображают степень сжатия в зависимости от расхода.
Кривые А1, А2, А3, А4 и А5 соответствуют пяти режимам двигателя, то есть пяти скоростям вращения двигателя, для лопаток и вентилятора из известного технического решения. На данном режиме условия полета определяют положение на кривой или рабочую точку двигателя, то есть пару значений расхода и степени сжатия. В идеале, рабочая точка двигателя находится близко к кривой С, которая является кривой номинальной работы.
Кривая А10 является границей зоны флаттера в этом же известном решении. Рабочие точки двигателя, находящиеся на кривых А1, А2, А3, А4 или А5 и слева от кривой А10, соответствуют явлению сильного флаттера.
Запас по флаттеру можно определить как расстояние А11 между кривой С и кривой А10.
Кривая В10 показывает границу зоны флаттера соответствующего двигателя. Запас по флаттеру можно определить как расстояние В11 между кривой В10 и кривой С, которая является кривой номинальной работы.
Поскольку расстояние В11 превышает расстояние А11, это свидетельствует об увеличении запаса по флаттеру по сравнению с известным решением.
Предложенные правила максимального прогиба профиля лопатки соответствуют лопатке, форма которой приближается в ее верхней части к форме плоской пластины.
Плоская пластина соответствует движениям, содержащим сильную составляющую изгиба и слабую составляющую кручения.
Преимуществом изобретения является увеличение запаса по флаттеру без ухудшения механического поведения лопатки или аэродинамических характеристик лопатки. В частности, связку изгиб-кручение можно уменьшить без необходимости увеличения массы лопатки.