ЛОПАТКА СПРЯМЛЯЮЩЕГО АППАРАТА ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ
GAS TURBINE ENGINE STRAIGHTENER BLADE

Предшествующий уровень техники
Изобретение относится к лопатке спрямляющего аппарата газотурбинного двигателя, спрямляющему аппарату газотурбинного двигателя, содержащему множество лопаток, и к газотурбинному двигателю, содержащему по меньшей мере один такой спрямляющий аппарат.
Двухконтурный газотурбинный двигатель 1 для создания тяги летательного аппарата показан на фиг. 1 в разрезе по вертикальной плоскости, проходящей через его главную ось A. Этот газотурбинный двигатель содержит наружный корпус 10, в котором от входа к выходу по направлению потока воздуха расположены вентилятор 12, компрессор 14 низкого давления, компрессор 16 высокого давления, камера 18 сгорания, турбина 20 высокого давления, турбина 22 низкого давления и реактивное сопло 24.
В наружном корпусе 10 вокруг компрессоров 14 и 16, камеры 18 сгорания и турбин 20 и 22 расположен внутренний корпус 28. Спрямляющий аппарат 30 расположен ниже по потоку от вентилятора 12 между корпусами 28 и 10 и в данном случае находится в области компрессоров 14 и 16.
Во время работы внутренний корпус 28 разделяет воздушный поток, ускоряемый вентилятором 12, на поток Fp первого контура, который питает компрессоры 14 и 16, и на поток Fs второго контура, который проходит между корпусами 28 и 10 и выбрасывается таким образом из газотурбинного двигателя после прохождения спрямляющего аппарата 30 для обеспечения части тяги.
Выходной спрямляющий аппарат (OGV) от английского «Outlet Guide Vane», представляет собой множество лопаток, расположенных в виде венца вокруг кольца 32, установленного на внутреннем корпусе 28. Лопатки спрямляющего аппарата позволяют спрямлять воздушный поток, выходящий из вентилятора.
Для обеспечения улучшения эффективности выходного спрямляющего аппарата его лопатки должны иметь хорошие аэродинамические характеристики и, в частности, ограничивать потери при прохождении через венец, образованный ими.
Кроме того, под действием воздушного потока лопатки спрямляющего аппарата подвергаются воздействию сильных напряжений, которые, в частности, порождают явления скручивания и изгиба этих лопаток. Скручивание лопатки является деформацией самой лопатки вокруг ее оси наслоения сечений. Изгиб лопатки является ее деформацией вокруг тангенциальной оси, касательной к направлению вращения вентилятора и, следовательно, к кольцу 32.
Эти явления скручивания и изгиба можно анализировать при помощи параметра связи между скручиванием и изгибом (ТВС) от английского «Twist Bend Coupling)). Параметр ТВС в точке лопатки является соотношением между амплитудой скручивания и амплитудой изгиба в этой точке. Параметр ТВС лопаток выходного спрямляющего аппарата характеризует их тенденцию к биению во время работы. Он должен быть допустимым с точки зрения обеспечения работы газотурбинного двигателя и его аэродинамического поведения.
Следовательно, очень важно, чтобы повышение эффективности аэродинамических характеристик не ухудшало параметр ТВС по отношению к целевому параметру ТВС, определяемому на стадии расчетов размеров газотурбинного двигателя.
Раскрытие изобретения
Задачей изобретения является создание лопатки спрямляющего аппарата, которая одновременно способствует хорошему распределению воздушного потока по высоте лопаток с повышенной аэродинамической эффективностью и позволяет избегать ухудшения их поведения с точки зрения скручивания и изгиба по сравнению с известными лопатками.
Объектом изобретения является лопатка спрямляющего аппарата газотурбинного двигателя, содержащая множество сечений лопатки, наслоенных между хвостовиком и вершиной вдоль радиальной оси Z, которая определяет направление высоты лопатки, при этом каждое сечение лопатки:
- проходит вдоль продольной оси X между передней кромкой и задней кромкой и вдоль тангенциальной оси Y между поверхностью стороны нагнетания и поверхностью стороны всасывания;
- имеет хорду, определяемую длиной части, которая проходит от передней кромки до задней кромки, и
- имеет толщину, определяемую расстоянием между поверхностями стороны нагнетания и стороны всасывания и изменяющуюся вдоль хорды,
причем безразмерные координаты х' и z' определены для каждой точки лопатки с координатами x, y, z по осям X, Y, Z коэффициентами x/Ht и z/Ht, где Ht - общая высота лопатки, при этом передняя кромка лопатки на ее общей высоте Ht определяет начальную координату x'=0, начиная от которой координата x' увеличивается в сторону задней кромки,
на нижнем участке лопатки от z'=0 до z'=0,5 координата x' передней кромки является отрицательной, и максимальные значения толщины находятся в положениях, удаленных от передней кромки по меньшей мере на 50% хорды.
Таким образом, передняя кромка лопатки «выступает вперед» на нижнем участке лопатки, то есть на нижнем участке передняя кромка выступает в сторону выше по потоку по отношению к ее положению на радиально наружном конце лопатки, на котором измеряют ее общую высоту. Как будет раскрыто далее, это обеспечивает лучшее распределение воздушного потока по высоте лопатки. Одновременно на нижнем участке зоны максимальной толщины различных сечений лопатки удалены от передней кромки, что позволяет ограничить явления скручивания и изгиба и, в частности, явления изгиба лопатки.
В зависимости от вариантов лопатка имеет одну или более из следующих особенностей:
- для сечения с координатой z'=0 координата x' меньше или равна -0,15;
- координата x' меньше или равна -0,1 на участке лопатки от z'=0 до z'=0,3;
- координата x' непрерывно увеличивается на нижнем участке лопатки по мере увеличения координаты z';
- для сечения с координатой z'=0 максимальная толщина находится в положении, удаленном от передней кромки по меньшей мере на 60% хорды;
- максимальная толщина находится в положении, удаленном от передней кромки по меньшей мере на 60% хорды, на участке лопатки от z'=0 до z'=0,15; и
- лопатка имеет первый участок вблизи своего хвостовика, на котором положение максимальной толщины по отношению к хорде остается, по существу, неизменным, и второй участок, проходящий за первым участком до вершины лопатки, на котором положение максимальной толщины смещается к передней кромке.
Изобретение и его преимущества будут более очевидны из последующего описания на не ограничивающем примере со ссылками на чертежи.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1, описанной выше, показан газотурбинный двигатель, схематичный вид в продольном разрезе;
на фиг. 2 - часть выходного спрямляющего аппарата этого двигателя, схематичный вид;
на фиг. 3 - лопатка выходного спрямляющего аппарата, представленная в виде наслоения сечений лопатки;
на фиг. 4 - одно из сечений лопатки;
на фиг. 5 - кривая, показывающая изменение положения передней кромки лопатки по ее высоте;
фиг. 6 поясняет, с одной стороны, для лопатки согласно изобретению (сплошная линия) и, с другой стороны, для другой лопатки (пунктирная линия) спрямляющего аппарата распределение толщины по хорде в различных сечениях лопатки;
фиг. 7 поясняет, как положение максимальной толщины относительно хорды изменяется по высоте лопатки для лопатки согласно изобретению;
фиг. 8 поясняет с одной стороны, для лопатки согласно изобретению (сплошная линия) и, с другой стороны, для другой лопатки (пунктирная линия) спрямляющего аппарата, изменение потери давления воздуха при прохождении мимо лопатки по высоте лопатки; и
на фиг. 9 - изменение отклонения параметра ТВС по отношению к целевому параметру ТВС в зависимости от высоты лопатки для части общей высоты, безразмерные координаты z' которой находятся в пределах между значениями z'1 и z'2 для лопатки согласно изобретению (сплошная линия) и для двух других лопаток (пунктирная линия).
Варианты осуществления изобретения
На фиг. 2 показана часть спрямляющего аппарата 30 газотурбинного двигателя, схематично показанного на фиг. 1. Этот спрямляющий аппарат содержит множество лопаток 34, закрепленных своими хвостовиками 34А на корпусе 28 посредством кольца 32 и закрепленных своими вершинами 34B на корпусе 10 (на этой фигуре не показан). Хвостовик и вершина являются соответственно радиально внутренним концом и радиально наружным концом лопатки, между которыми проходит аэродинамический профиль лопатки.
На фиг. 2 показана ортогональная система координат X, Y, Z, при этом ось X является продольной осью, параллельной главной оси A газотурбинного двигателя, которая является осью вращения турбин, ось Y является тангенциальной осью, и ось Z является радиальной осью, определяющей направление высоты лопаток.
Каждая лопатка имеет переднюю кромку BA и заднюю кромку BF, расположенные на расстоянии вдоль оси X, а также поверхность FE стороны всасывания и поверхность FI стороны нагнетания.
Как показано на фиг. 3, каждая лопатка 34 образована множеством сечений 35 лопатки, наслоенных вдоль оси Z от хвостовика 34А до вершины 34B.
На фиг. 4 показано одно из сечений в плоскости с постоянным значением Z. Для этого сечения показана хорда C лопатки, которая является прямолинейной частью, проходящей между передней кромкой BA  и задней кромкой BF. Условно эту часть рассматривают в направлении от передней кромки к задней кромке. На фиг. 4 показана толщина E лопатки в срединной области сечения. Условно эта толщина Е является расстоянием между поверхностью FI стороны нагнетания и поверхностью FE стороны всасывания, измеренным в положении сечения лопатки, определенном точкой P ее контура S, перпендикулярно к контуру S, причем этот контур является срединной линией между поверхностью FI стороны нагнетания и поверхностью FE стороны всасывания. Таким образом, толщину E измеряют в положении, удаленном от передней кромки ВА на расстояние D. Положение максимальной толщины, определяемое в процентах от длины хорды C, определяется, таким образом, отношением 100×D/C.
Следует отметить, что фиг. 2-4 предназначены для лучшего понимания общей конструкции спрямляющего аппарата и его лопаток. Эти фигуры не поясняют характерные для изобретения размерные критерии, которые относятся, в частности, к положению передней кромки и к положению максимальной толщины.
Сплошная кривая, показанная на фиг. 5, является следом передней кромки, то есть кривой изменения положения по оси X передней кромки лопатки вдоль ее высоты (по оси Z). Эта кривая построена с координатой x' по X или x/Ht, то есть с координатой х рассматриваемой точки передней кромки ВА по оси X в относительных единицах по общей высоте Ht лопатки и с координатой z' на оси ординат или z/Ht, то есть с координатой z рассматриваемой точки передней кромки по оси Z в относительных единицах по высоте Ht. Начальную координату z=0 или z'=0 определяют по хвостовику лопатки, то есть на уровне наружной периферии кольца 32. Общую высоту Ht измеряют от хвостовика до вершины лопатки. Начальную координату х'=0 определяют как координату x' передней кромки в точке z'=1, то есть в точке максимальной высоты. Координата x' увеличивается в направлении задней кромки вдоль оси X на фиг. 2.
Таким образом, во всей своей нижней области лопатка «выступает вперед». Действительно, координата x' остается отрицательной на всей нижней половине высоты лопатки, называемой «нижним участком» и проходящей от хвостовика 34А до 50% общей высоты Ht (z'=0,5). В данном случае координата x' примерно равна -0,07 в z'=0,5.
Следует также отметить, что для z'=0 координата x' меньше -0,15, в частности, примерно равна -0,175. Кроме того, на всей части нижнего участка между z'=0 и z'=0,3 координата x' остается меньшей или равной -0,1.
В представленном примере координата x' непрерывно увеличивается, начиная от хвостовика, проходит через нулевое значение примерно на 2/3 высоты лопатки и достигает максимального положительного значения примерно на 80-90% общей высоты, после чего уменьшается и становится опять нулевой на 100% максимальной высоты.
Согласно варианту, показанному в виде пунктирной кривой, эту финальную фазу уменьшения можно исключить, и в этом случае координата x' непрерывно возрастает от хвостовика и достигает нулевого или по существу нулевого значения на 100% максимальной высоты.
Кривая на фиг. 5 характеризуется, в частности, выступанием вперед до 50% общей высоты. Действительно, авторы изобретения установили, что для лопаток спрямляющего аппарата, имеющих такое выступание вперед, аэродинамические потери ограничены по сравнению с известной лопаткой с прямым наслоением, то есть в которой координата x' передней кромки является, по существу, постоянной во всей ее высоте.
Это более наглядно видно на фиг. 8, где показано изменение аэродинамических потерь (на оси абсцисс) в зависимости от координаты z' (на оси ординат). Это изменение показано для нижнего участка лопатки до z'=0,5, с одной стороны, для лопатки с таким передним выступом (сплошная линия) и, с другой стороны, для лопатки с прямым наслоением (пунктирная линия). На фиг. 6 показаны 5 кривых изменения толщины лопатки соответственно для сечений z'=0, z'=0,25, z'=0,5, z'=0,75 и z'=1.
Следует отметить, что до 50% общей высоты максимальная толщина смещена к задней кромке в лопатке согласно изобретению по отношению к другой лопатке (передняя кромка и задняя кромка соответственно находятся на 0% и на 100% хорды).
На фиг. 7 видно, что для z'=0 положение максимальной толщины превышает 60% хорды, в частности, примерно соответствует 62% хорды. Положение максимальной толщины остается, по существу, на уровне более 60% хорды до z'=0,15 и даже практически до z'=0,2. На этом участке от z'=0 до z'=0,15 и даже до z'=0,20 положение максимальной толщины остается, по существу, постоянным и сохраняется, например, в интервале порядка 5% хорды. В данном случае положение максимальной толщины остается в пределах 60% до 65% хорды до z'=0,15.
На втором участке, который находится за этим первым участком в направлении вершины лопатки, положение максимальной толщины смещается к передней кромке по мере увеличения высоты лопатки и вплоть до ее вершины. На этом втором участке положение максимальной толщины постепенно смещается к передней кромке по мере увеличения z' и в данном случае достигает примерно 40-45% хорды в вершине лопатки (z'=1).
На фиг. 9 отклонение относительно целевого параметра ТВС указано на оси абсцисс, тогда как координата z' находится на оси ординат. Целевой параметр ТВС является началом оси абсцисс (значение 0%) и изменение отклонения параметра ТВС относительно целевого параметра ТВС показано в зависимости от высоты на соответствующей части лопатки между значениями z'1 и z'2 для координаты z'.
Пунктирной линией показано изменение отклонения между отмечаемым параметром ТВС и целевым параметром ТВС для известной лопатки с прямым наслоением. Это отклонение является допустимым, так как оно является отрицательным на всей рассматриваемой части.
Штрихпунктирная кривая показывает отклонение параметра ТВС для выступающей вперед лопатки, как было указано выше, но без изменения положений максимальных толщин, то есть с сохранением расстояний, отмеченных на вышераскрытой лопатке, между передней кромкой и положениями максимальной толщины для каждого сечения лопатки. Следует отметить, что отклонение является недопустимым между значениями z'1 и z''1, так как оно становится положительным на этой части: происходит ухудшение параметра ТВС.
Сплошная кривая показывает отклонение параметра ТВС для лопатки согласно изобретению, на нижнем участке которой (до z'=0,5) не только передняя кромка выступает вперед, но также положения максимальной толщины удалены от передней кромки не менее чем на 50% хорды. Следует отметить, что для этой лопатки отклонение параметра ТВС опять стало допустимым, так как оно остается отрицательным на рассматриваемой части.
Для значения z'1, находящегося между хвостовиком лопатки и значением z'r, которое в данном случае соответствует среднему значению между z'1 и z'2, отмечается выигрыш g, который соответствует улучшению между отмеченным параметром ТВС и целевым параметром ТВС. В зависимости от случая этот выигрыш может составлять около 10% отклонения параметра ТВС.
Фиг. 9 относится к соответствующей части высоты лопатки, на которой соблюдение критерия ТВС имеет большое значение. Контрольное значение z'r соответствует, по существу, половине высоты лопатки, наиболее удаленной от хвостовика лопатки, закрепленной на внутреннем корпусе 28, и от вершины лопатки, закрепленной на наружном корпусе 10. Соответствующая часть, проходящая от z'1 до z'2, может, например, охватывать от 10% до 40% высоты лопатки.
Кроме того, авторы изобретения установили, что лопатка, для которой отклонение ТВС показано на фиг. 9 сплошной линией, характеризуется изменением аэродинамических потерь, показанным сплошной линией на фиг. 8. Таким образом, комбинируя смещение назад положений максимальной толщины не менее чем на 50% хорды на нижнем участке лопатки (z' составляет от 0 до 0,5) с выступанием вперед передней кромки (координата x' меньше или равна 0), получают лопатку с улучшенными аэродинамическими характеристиками и с сохранением критерия ТВС.