ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ С ВИНТАМИ РАЗНОГО ДИАМЕТРА
GAS TURBINE ENGINE WITH SCREWS OF DIFFERENT DIAMETER

Область техники
Изобретение относится к области газотурбинных двигателей типа турбовинтового двигателя с открытыми винтами противоположного вращения.
Предшествующий уровень техники
Двигатели с «открытыми» вентиляторами (или турбовинтовые двигатели типа «Propfan» или «Open rotor») представляют собой газотурбинные двигатели, вентилятор которых закреплен снаружи корпуса двигателя в отличие от обычных турбореактивных двигателей (типа «Turbofan»), в которых вентилятор закрыт обтекателем.
Известен, в частности двигатель «Contra-Rotating Open Rotor» (CROR, открытый ротор с винтами противоположного вращения), показанный на фиг. 1, который оснащен двумя винтами, вращающимися в противоположных направлениях. Он представляет интерес по причине своего исключительно высокого КПД тяги.
Целью использования двигателя этого типа является сохранение скорости и характеристик турбореактивного двигателя и с сохранением расхода топлива, аналогичного расходу турбовинтового двигателя. Действительно, выполнение вентилятора открытым позволяет увеличить диаметр и поток воздуха, необходимый для создания тяги.
Однако отсутствие обтекателя создает проблемы сертификации, в частности, в плане акустики. Действительно, шум, создаваемый открытыми винтами, распространяется в свободной области. Кроме того, при конструкции этого типа существует множество источников шума. В плане акустической сертификации известно, что основным источником шума являются завихрения потоков, исходящих от лопастей расположенного выше по потоку винта и обдувающих лопасти расположенного ниже по потоку винта. Современные нормы предусматривают максимальный порог шума вблизи земли, то есть во время взлета и захода на посадку. Эти нормы становятся все более строгими, и очень важно опережать это ужесточение норм, чтобы двигатели соответствовали им на день ввода в эксплуатацию.
Для снижения этого шума взаимодействия существуют два разных подхода:
– «отсечение»: расположенный ниже по потоку винт имеет диаметр меньше, чем диаметр расположенного выше по потоку винта, чтобы концевые завихрения, создаваемые этим расположенным выше по потоку винтом, проходили над расположенным ниже по потоку винтом, избегая создающего шум взаимодействия. Однако этот вариант требует перепроектирования лопастей расположенного ниже по потоку винта путем удлинения хорд, чтобы обеспечивать достаточную тягу. Кроме того, отсечение не позволяет избегать влияния вихревых потоков, когда самолет летит с наклоном;
– изменение формы лопастей расположенного выше по потоку винта таким образом, чтобы снизить интенсивность вихревых потоков, создаваемых расположенным выше по потоку винтом, и изменение их распределения в спутной струе. Благодаря этому, флуктуации нестационарных нагрузок на винт имеют меньшую амплитуду. В качестве примеров можно привести решения, описанные в документах FR 2980818 и FR 2999151. Однако этот вариант оказывается сложным и требует уменьшения нагрузки расположенного выше по потоку винта и его тяги.
Следовательно, желательно найти простую и эффективную конструкцию открытого винта, которая позволяет преодолеть вышеупомянутые ограничения и обеспечивает существенное и постоянное улучшение (в том числе при полете с наклоном) аэроакустических характеристик двигателя без потери тяги.
Раскрытие изобретения
В соответствии с первым аспектом изобретения газотурбинный двигатель содержит по меньшей мере два открытых винта, а именно расположенный выше по потоку винт и расположенный ниже по потоку винт, при этом расположенный выше по потоку винт содержит множество лопастей, из которых по меньшей мере одна первая лопасть имеет длину, отличную от по меньшей мере одной второй лопасти.
Согласно другим предпочтительным и неограничительным особенностям:
– две последовательные лопасти расположенного выше по потоку винта имеют разную длину;
– лопасти расположенного выше по потоку винта поделены на n ∈[[2; +∞[ групп лопастей одинаковой длины, в том числе по меньшей мере на одну группу первых лопастей и по меньшей мере на одну группу вторых лопастей;
– все группы лопастей имеют разную длину лопастей;
– все группы лопастей имеют одинаковое число лопастей;
– лопасти позиционированы по расположенному выше по потоку винту таким образом, что каждый набор из n последовательных лопастей содержит лопасть каждой группы;
– передний винт содержит 2kn, k ∈ N лопастей, при этом две диаметрально противоположные лопасти на расположенном выше по потоку винте принадлежат к одной группе;
– расположенный выше по потоку винт содержит (2k + 1)n, k ∈ N лопастей и по меньшей мере один противовес, расположенный диаметрально противоположно первой лопасти;
– число n групп лопастей равно двум или трем;
– расположенный ниже по потоку винт содержит множество лопастей, имеющих длину первой лопасти;
– указанная вторая лопасть является первой усеченной лопастью;
– указанная вторая лопасть является более короткой, чем первая лопасть, на значение от 0,5% до 5%;
– винты являются винтами противоположного вращения;
– расположенный ниже по потоку винт является неподвижным.
Краткое описание чертежей
Другие особенности и преимущества изобретения будут более очевидны из последующего описания предпочтительного варианта осуществления. Это описание представлено со ссылками на чертежи.
На фиг. 1 (уже описана выше) показан пример открытого ротора с винтами противоположного вращения;
на фиг. 2а – открытый расположенный выше по потоку винт известного газотурбинного двигателя;
на фиг. 2b и 2с – два варианта выполнения расположенного выше по потоку винта газотурбинного двигателя согласно изобретению;
на фиг. 3 – перемещение линий потока, наблюдаемое в варианте выполнения газотурбинного двигателя согласно изобретению.
Варианты осуществления изобретения
Открытый ротор
На фиг. 1 показан предложенный газотурбинный двигатель 1, содержащий по меньшей мере два открытых винта 10, 11, а именно расположенный выше по потоку винт 10 и расположенный ниже по потоку винт 11 (по направлению потока текучей среды). Понятно, что ниже по потоку от первых винтов могут также находиться другие винты.
Предпочтительно этот газотурбинный двигатель 1 является двигателем типа «open-rotor» (CROR) и содержит газогенератор 4 (то есть «активную зону» газотурбинного двигателя, обеспечивающую, в частности, сгорание топлива), центральный относительно оси потока газов (в корпусе), содержащий турбину, приводящую во вращение винты 10, 11, которые в этом примере являются винтами противоположного вращения (то есть направление вращения расположенного выше по потоку винта 10 противоположно направлению вращения расположенного ниже по потоку винта 11). Газотурбинный двигатель может быть двигателем как типа с открытым ротором и «толкающими» винтами (винты 10, 11 находятся ниже по потоку от газогенератора 4 и «толкают» газотурбинный двигатель 1), так и типа с открытым ротором и «тянущими» винтами (винты 10, 11 находятся выше по потоку от газогенератора 4 и «тянут» газотурбинный двигатель 1).
Кроме того, следует отметить, что винты 10, 11 не обязательно являются винтами противоположного вращения и что второй винт 11 может быть статором (то есть неподвижным винтом), при этом газотурбинный двигатель 1 является двигателем типа USF («Unducted Single Fan»).
Во всех случаях каждый винт 10, 11 содержит множество лопастей 2, проходящих по существу радиально от центрального корпуса. Винты 10, 11 образуют вокруг центрального корпуса открытый вентилятор газотурбинного двигателя 1.
Конфигурация лопастей
Как известно (см. фиг. 2а), лопасти 2 винтов 10, 11 имеют одинаковую длину. Иначе говоря, «радиус» (то есть расстояние до оси вращения винта 10, 11) конца всех лопастей 2 является постоянным. Далее для удобства будет использовано понятие «длина» лопасти, однако понятно, что под длиной лопасти 2 следует понимать радиус на ее конце, то есть расстояние между осью вращения винта 10, 11, на котором установлена лопасть 2 (и, в целом, осью вращения винтов 10, 11, так как она является общей), и концом лопасти 2.
Газотурбинный двигатель согласно изобретению отличается тем, что, наоборот, по меньшей мере одна первая лопасть 2а расположенного выше по потоку винта 10 имеет длину, отличную от длины по меньшей мере одной второй лопасти 2b, 2с расположенного выше по потоку винта 10 (иначе говоря, расположенный выше по потоку винт содержит по меньшей мере две лопасти 2а, 2b, 2с разной длины). Условно, первую лопасть 2а выбирают более длинной, чем вторая лопасть 2b, 2с. Далее будет показано, что может быть несколько длин второй лопасти 2b, 2с.
Благодаря этому, вихревые потоки, создаваемые лопастями 2а, 2b, 2с расположенного выше по потоку винта 10, попадают на лопасти 2 расположенного ниже по потоку винта 11 в разных радиальных положениях.
Действительно, каждое создаваемое концевое завихрение лопасти следует линии потока, проходящей через законцовку (то есть конец) лопасти 2а, 2b, 2с расположенного выше по потоку винта. Эта линия потока подвергается напряжению по причине сжатия потока, связанного с всасыванием винтов.
Следовательно, если вторая лопасть 2b, 2с расположенного выше по потоку винта 10 имеет уменьшенную длину, линия потока, проходящая через ее законцовку, находится на радиусе, меньшем радиуса первой лопасти 2а большей длины. Таким образом, как показано на фиг. 3, завихрение, создаваемое второй лопастью 2b, 2с, действует на расположенный ниже по потоку винт 11 ниже, чем завихрение, создаваемое первой лопастью 2а. Таким образом, завихрения расположенного выше по потоку винта 10, связанные с разными лопастями 2а, 2b, 2с, попадают на одну и ту же лопасть 2 расположенного ниже по потоку винта 11 в разных радиальных положениях (тогда как эти воздействия происходили бы в одном и том же месте для расположенного выше по потоку винта 10 с лопастями одинаковой длины), что позволяет сместить фазы акустических источников и понизить излучаемый акустический уровень.
Эту конфигурацию применяют в случае, когда завихрения расположенного выше по потоку винта 10 действуют на расположенный ниже по потоку винт 11 (полностью или частично), то есть расположенный ниже по потоку винт либо не отсечен, либо отсечен, не в недостаточной степени. В предпочтительном варианте осуществления все лопасти 2 расположенного ниже по потоку винта 11 имеют одинаковую длину и, в частности, длину первой лопасти 2а расположенного выше по потоку винта 10.
Предпочтительно вторая лопасть 2b, 2с просто представляет собой укороченную первую лопасть 2а. Иначе говоря, форма лопасти не изменена, и только ее конец выполнен усеченным.
Это изменение не должно быть слишком большим, чтобы не изменять аэродинамические характеристики винтов 10, 11, но должно быть достаточным, чтобы обеспечивать смещение фазы акустических источников. Предпочтительно указанная вторая лопасть 2b, 2с (в частности, наиболее короткая из вторых лопастей 2b, 2с, если существует несколько длин) является более короткой, чем первая лопасть 2а, на 0,5%-5%.
Действительно, осесимметричное стационарное вычисление позволило определить, что уменьшение радиуса второй лопасти 2b, 2с (по отношению к первой лопасти 2а) расположенного выше по потоку винта 10 на 0,8% (при одинаковом угле установки лопасти) приводит на высоте полета на крейсерской скорости к потере тяги на 0,3% на этой лопасти 2b, 2с и к ничтожной потере на лопасти 2 расположенного ниже по потоку винта 11. Таким образом, КПД лопасти расположенного выше по потоку винта 10 теряет 0,02 пункта, и КПД лопасти расположенного ниже по потоку винта 11 теряет 0,05 пункта, что является допустимым.
Такое же вычисление на взлете показывает потерю 1,3% тяги на этой лопасти 2b, 2с и ничтожную потерю на лопасти 2 расположенного ниже по потоку винта 11. Таким образом, КПД лопасти расположенного выше по потоку винта 10 теряет 0,15%, а КПД лопасти расположенного ниже по потоку винта 11 остается неизменным.
Если потери тяги являются слишком большими, можно выбрать общий угол установки для всех лопастей (одного винта, то есть расположенного ниже по потоку или расположенного выше по потоку, или обоих винтов), позволяющий восстановить тягу.
Дополнительным следствием изменения длин лопастей 2b, 2с на расположенном выше по потоку винте 10 является изменение скоростей азимутального распространения завихрений в потоке между винтами. Действительно, окружная скорость Ui конца второй лопасти 2b, 2с уменьшается пропорционально уменьшению радиуса (Ui = ΩRi, где Ω является скоростью вращения расположенного выше по потоку винта 10, и Ri является радиусом второй лопасти 2b, 2с). Это изменение скорости приводит к временному смещению фаз акустических источников в дополнение к пространственному смещению фаз.
Таким образом, уменьшается также азимутальная скорость граничного завихрения, исходящего от конца второй лопасти 2b, 2с. При достаточном изменении длин между первой и второй лопастями 2а, 2b, 2с распространение по азимуту завихрений между винтами 10, 11 и, следовательно, взаимодействие с расположенным ниже по потоку винтом 11 перестает быть осесимметричным. Точно так же, это изменение приводит к временному смещению фаз акустических источников.
Кроме дополнительного смещения фаз между источниками, происходит изменение периодичности взаимодействий и, следовательно, их частот в воспринимаемом на слух спектре. Если предположить, что акустическая энергия сохраняется, уровни шума могут локально (и по частоте) понижаться, и ширина полосы (то есть пика частоты в акустическом спектре) увеличивается и даже делится на разные полосы взаимодействий на более низких частотах.
Группы лопастей
Согласно предпочтительным вариантам осуществления первые и вторые лопасти 2а, 2b, 2с сгруппированы по некоторым заранее определенным структурам. В частности, желательно, чтобы две последовательные лопасти 2а, 2b, 2с расположенного выше по потоку винта 10 имели разную длину, то есть, чтобы первые лопасти 2а были разделены вторыми лопастями 2b, 2с.
Для этого предпочтительно лопасти 2а, 2b, 2с расположенного выше по потоку винта поделены на n ∈[[2; +∞[ групп лопастей одинаковой длины, в том числе по меньшей мере на одну группу первых лопастей 2а и по меньшей мере на одну группу вторых лопастей 2b, 2с. Все группы лопастей 2а, 2b, 2с имеют разные длины лопастей 2а, 2b, 2с. Для удобства можно считать, что первая группа объединяет наиболее длинные лопасти (первые лопасти 2а) и что n-1 других групп являются группами вторых лопастей 2b, 2с, распределенными по убывающим длинам: вторая группа объединяет наиболее длинные из вторых лопастей, и n-ая группа объединяет наиболее короткие из вторых лопастей и т.д.
Предпочтительно число n групп лопастей 2а, 2b, 2с равно двум (случай фиг. 2b) или трем (случай фиг. 2с, на которой существуют две длины второй лопасти: лопасти 2b образуют группу вторых лопастей «средней» длины, и лопасти 2с – группу вторых лопастей «короткой» длины), однако это число может быть и более значительным. Отмечается, что в случае по меньшей мере трех групп длины лопастей, соответствующие каждой из групп, выбирают таким образом, чтобы они были равномерно распределены между номинальной длиной (длиной первой лопасти 2а) и длиной наиболее короткой второй лопасти 2b, 2с (длина которой предпочтительно составляет от 98,5% до 99,5% длины первой лопасти 2а).
min
max
i
Если обозначить эти длины L и L, получаем, например, , где L является длиной i-й группы.
Все группы лопастей 2а, 2b, 2с могут содержать столько же лопастей 2а, 2b, 2с (как в случае фиг. 2b, где показаны две группы из шести лопастей 2а, 2b, 2с) или другое число лопастей (как в случае фиг. 2с, где показаны три группы, в том числе группа из четырех первых лопастей 2а, группа из шести вторых лопастей 2b и группа из двух вторых лопастей 2с). Благодаря этому, две соседние лопасти 2а, 2b, 2с всегда будут принадлежать к группе j и к группе j+1, j ∈ [[1;n - 1]], то есть всегда будет присутствовать разность длины между двумя соседними лопастями, но она является минимальной разностью.
Распределение групп лопастей 2а, 2b, 2с можно также осуществлять в разных версиях, предпочтительно придавая им форму структуры, повторяющейся через каждые m ∈[[n; +∞[ последовательных лопастей.
В оптимальном варианте лопасти 2а, 2b, 2с позиционированы по расположенному выше по потоку винту 10 таким образом, чтобы каждый набор из n последовательных лопастей (то есть последовательности из n лопастей) содержал лопасть 2а, 2b, 2с каждой группы, то есть передний винт 10 отвечает структуре с порядком, равным числу n групп (то есть структура повторяется через каждые n лопастей, то есть m=n). Например, последовательность лопастей 2а, 2b, 2с может следовать структуре 1, 2, …, n, 1, 2, …, n, и т.д. Это относится к случаю фиг. 2b: последовательность лопастей выглядит как 2a, 2b, 2a, 2b, и т.д.
Отмечается, что, если n>2, то потенциально существует соответствующий сдвиг длины между лопастями номер n (наиболее короткая) и f (наиболее длинная), поэтому возможны более сложные последовательности (но всегда соблюдающие структуру порядка n (например, если n=5: 1, 3, 5, 4, 2).
Балансировка
Предпочтительно расположенный выше по потоку винт 10 выполнен таким образом, чтобы избегать любого дисбаланса. В наиболее простом случае расположенный выше по потоку винт 10 содержит 2kn, k ∈N* лопастей 2а, 2b, 2с, где n является числом групп, каждая из которых содержит четное число (2k) лопастей (в этом случае число лопастей обязательно является четным, независимо от четности n).
Две диаметрально противоположные лопасти 2а, 2b, 2с выбирают на расположенном выше по потоку винте 10 таким образом, чтобы они принадлежали к одной и той же группе (отсюда отсутствие дисбаланса, несмотря на разные длины лопастей 2а, 2b, 2с).
Следует отметить, что если эти 2kn лопастей распределены в виде последовательностей из n лопастей, содержащих лопасть 2а, 2b, 2с каждой группы (иначе говоря, в частном случае, когда число последовательностей является четным), то число последовательностей равно 2k, и две диаметрально противоположные лопасти 2а, 2b, 2с автоматически будут принадлежать к одной группе (за счет чего достигается балансировка).
Отмечается, что винт 10, соответствующий фиг. 2, соблюдает принцип распределения, который позволяет избегать использования какого-либо противовеса.
Если расположенный выше по потоку винт 10 содержит (2k + 1)n, k ∈ N лопастей 2а, 2b, 2с, где n является числом групп, при этом каждая из них содержит нечетное число (2k + 1) лопастей (включая частный случай расположения в виде 2k +1 последовательностей из n лопастей), то предпочтительная конфигурация зависит от четности n, но в этом случае необходим по меньшей мере один противовес, расположенный диаметрально противоположно первой лопасти 2а.
Если n является четным, общее число лопастей 2а, 2b, 2с остается четным, и каждая лопасть имеет диаметрально противоположную ей лопасть, но невозможно получить ситуацию, при которой две диаметрально противоположные лопасти 2а, 2b, 2с принадлежат к одной группе. Иначе говоря, обязательно существует по меньшей мере одна пара диаметрально противоположных лопастей, содержащая первую лопасть 2а и вторую лопасть 2b, 2с. В этом случае последнюю при необходимости оснащают противовесом.
Если n является нечетным, общее число лопастей 2а, 2b, 2с является нечетным, то есть нет диаметрально противоположных лопастей 2а, 2b, 2с, поэтому используют противовес. В этом случае противовес распределяют между несколькими диаметрально противоположными лопастями.
В другом варианте осуществления противовесы могут находиться в других местах винта.