РАБОЧАЯ ЛОПАТА ВЕНТИЛЯТОРА ИЛИ КОМПРЕССОРА
FAN OR COMPRESSOR IMPELLER

Изобретение относится к области газотурбинного двигателестроения и может быть использовано в первых ступенях осевых вентиляторов и компрессоров.
Известна рабочая лопатка вентилятора или компрессора газотурбинного двигателя (патент US 6071077, МПК F04D 29/34, опубл. 2000.06.06), перо которой имеет входную кромку с углом наклона образующей к радиальной оси, изменяющимся по высоте лопатки от ее втулочного сечения до периферийного. Входная кромка разделена на три области: привтулочную, среднюю и периферийную. В привтулочной и периферийной областях образующая входной кромки наклонена против потока, а в средней области - по потоку. Использование лопаток, имеющих описанную форму входной кромки, способствует снижению волновых потерь при торможении сверхзвукового потока, а также увеличению сопротивляемости к попаданию посторонних предметов.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является лопатка вентилятора или компрессора, описанная в патенте US 2004/0170502 A1, MПK F03B 3/12, опубл. 2004.02.09. Такая лопатка имеет входную кромку пера с углом наклона ее образующей к радиальной оси, изменяющимся по высоте лопатки от ее втулочного сечения до периферийного. Входная кромка разделена на три области: привтулочную, среднюю и периферийную, при этом в привтулочной области образующая входной кромки наклонена против потока, а в средней и периферийной областях - по потоку. Благодаря такой форме входных кромок совместно с высоким расположением границы между средней и привтулочной областью (от 40% до 75% радиальной высоты входной кромки пера лопатки между ее втулочным сечением и периферией) улучшается распределение скоростей в межлопаточных каналах, в результате чего увеличивается производительность и снижаются потери при торможении натекающего потока в периферийной области рабочего колеса на высоких частотах вращения, снижается уровень шума.
Недостатком обоих технических решений является то, что при такой форме входной кромки рабочая лопатка имеет неблагоприятный характер колебаний и пониженную степень аэродинамического демпфирования. Это влечет за собой снижение запасов устойчивости к флаттеру и возникновение областей лопатки с высоким уровнем динамических напряжений от возбуждающих гармоник, которые обусловлены неравномерностью потока воздуха на входе, особенно в условиях бокового ветра. Такие лопатки используются в рабочих колесах первых ступеней современных вентиляторов и компрессоров, к которым предъявляются высокие требования по газодинамическому и акустическому совершенству. Для снижения уровня генерируемого шума в этих лопаточных машинах максимально уменьшают величину окружной скорости вращения рабочих лопаток, при этом должна обеспечиваться высокая (потребная) степень повышения полного давления, что приводит к увеличению аэродинамической нагруженности его лопаток, то есть увеличивается их изгиб. Это, в свою очередь, способствует увеличению доли кручения при колебаниях (связанных изгибно-крутильных), что является фактором, снижающим запасы устойчивости к флаттеру. Кроме того, такие лопатки в целях снижения аэродинамических потерь выполняются без бандажных полок, что также негативно сказывается на запасах устойчивости к флаттеру. С увеличением аэродинамической нагруженности рабочего колеса усугубляются нестационарные процессы, возрастают пульсации давления, что создает трудности с обеспечением прочности лопаток.
Техническим результатом, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, является изменение характера колебаний рабочих лопаток, которое приводит к снижению уровня динамических напряжений в них и увеличению аэродинамического демпфирования без ухудшения аэродинамических и акустических характеристик рабочего колеса. Это способствует улучшению прочностных характеристик и обеспечению потребных запасов устойчивости к флаттеру лопаток высокоэффективного рабочего колеса осевого вентилятора или компрессора газотурбинного двигателя.
Технический результат достигается тем, что у рабочей лопатки вентилятора или компрессора газотурбинного двигателя перо имеет входную кромку с углом наклона ее образующей к радиальной оси, изменяющимся по высоте лопатки от ее втулочного сечения до периферийного. Входная кромка разделена на три области: привтулочную, среднюю и периферийную. В средней области образующая наклонена по потоку, а в части привтулочной области, прилегающей к средней, - против потока.
Новым в изобретении является то, что в остальной части привтулочной области образующая входной кромки наклонена по потоку.
В периферийной области лопатки образующая входной кромки может быть наклонена по потоку или против потока под углом из диапазона 0-50°.
В оптимальном варианте выполнения лопатки граница между привтулочной и средней областью должна быть расположена на высоте, составляющей 0,4-0,75 от общей высоты входной кромки пера лопатки между ее втулочным сечением и периферией, а часть привтулочной области с образующей, наклоненной по потоку, - составлять 0,1-0,8 от общей высоты привтулочной области, при этом углы наклона образующей входной кромки по потоку и против потока в привтулочной области и в средней области лежат в диапазоне 0-20°.
На прилагаемом чертеже изображена предлагаемая рабочая лопатка вентилятора или компрессора.
Рабочая лопатка вентилятора или компрессора газотурбинного двигателя содержит перо 1, имеющее входную кромку с углом наклона ее образующей 2 к радиальной оси 3 лопатки, изменяющимся вдоль этой оси. Входная кромка разделена на три области: периферийную 4, среднюю 5 и привтулочную, состоящую из части 6, прилегающей к средней области 5, и остальной части 7, прилегающей к втулочному сечению 8.
В части 6 привтулочной области образующая 2 наклонена против потока под углом α к радиальной оси 3, а в части 7 привтулочной области - по потоку под углом β к радиальной оси 3. В средней области 5 образующая 2 входной кромки наклонена по потоку под углом γ к радиальной оси 3, и углы α, β, γ лежат в диапазоне 0-20°. В периферийной области 4 образующая 2 входной кромки может быть наклонена как по потоку, так и против потока под углом δ из диапазона 0-50°.
Граница между частью 6 привтулочной области и средней областью 5 расположена на высоте, составляющей 0,4-0,75 от общей высоты входной кромки 2 пера лопатки 1 между ее втулочным сечением 8 и периферией 9, а часть 7 привтулочной области с образующей, наклоненной по потоку, - составляет 0,1-0,8 от общей высоты привтулочной области.
При работе осевого вентилятора или компрессора ГТД под воздействием вынужденных колебаний или флаттера вибронапряжения в рабочих лопатках 1 могут достигать критической величины, что приводит к их разрушению. Использование в предлагаемом изобретении входной кромки 2 саблевидной рабочей лопатки 1 с наклоном ее образующей к радиальной оси 3 в привтулочной области 7, от втулочного сечения лопатки 8 направленным по потоку, приводит к такому изменению характера колебаний лопатки 1, что снижается крутильная составляющая связанных изгибно-крутильных колебаний лопатки 1 и увеличивается ее аэродинамическое демпфирование. За счет этого увеличиваются запасы к флаттеру лопаток 1 рабочего колеса. Кроме того, возбуждение лопаток 1 происходит на более низких режимах и при меньших значениях возбуждающей силы, что приводит к снижению динамических напряжений, то есть улучшению прочностных характеристик рабочей лопатки 1. При этом благодаря тому, что форма входной кромки изменяется только в части привтулочной области 7 лопатки 1, благоприятное распределение скоростей в межлопаточных каналах рабочего колеса сохраняется и, таким образом, аэродинамические и акустические характеристики рабочего колеса не ухудшаются.
Описанная форма входной кромки получена в процессе проектирования рабочих лопаток вентиляторов газотурбинных двигателей при ее прочностной оптимизации, а достижение технического результата подтверждено многочисленными расчетными данными и результатами испытаний.