ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ С КОАКСИАЛЬНЫМИ ВИНТАМИ
GAS TURBINE ENGINE WITH COAXIAL SCREWS

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к газотурбинному двигателю с коаксиальными винтами, такими как капотированные или не капотированные винты (на английском языке “open rotor” или “unducted fan”).
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Предшествующий уровень техники представлен, в частности, документами ЕР-А1-2090765, FR-A2-2866931 и US-A-2156133.
В настоящее время в области двигателей для гражданской авиации все больше проявляется тенденция к уменьшению удельного расхода (CS), к снижению шума и выбросов NOx. Одно из технических решений, принятое конструкторами двигателей, состоит в увеличении степени двухконтурности между первичным потоком и вторичным потоком. Для этого предусмотрены различные архитектуры, такие как двигатели “UHBR” на английском языке (Ultra High Bypass Ratio) и двигатели со сдвоенными винтами (“CROR” от Counter Rotating Open-Rotor на английском языке или “USF” от Unducted Single Fan на английском языке), в качестве возможной замены современным газотурбинным двигателям для полетов средней дальности.
В случае газотурбинного двигателя типа open rotor гондолу, направляющую вторичный поток для производства основной тяги на классическом газотурбинном двигателя, убирают. В этом случае движущая система включает в себя входной винт, который увлекает поток, и выходной винт, неподвижный для двигателя “USF” и вращающийся для двигателя “CROR”, при этом выходной винт позволяет спрямлять поток. Тяговый КПД двигателя повышается за счет рекуперации энергии при вращении. Диаметр винтов двигателя тоже значительно увеличивают, чтобы обеспечивать всасывание большого количества воздуха и повышение тягового КПД. Однако в отсутствие гондолы основным недостатком этой архитектуры open rotor является шумовое воздействие и, в частности, шум, создаваемый винтами при различных взаимодействиях между винтами и компонентами, связанными с установкой двигателя на самолете.
Основной источник шума связан с взаимодействием завихрения, производимого входным винтом, с выходным винтом. Вершинное завихрение происходит при слиянии завихрения на конце лопасти с завихрением передней кромки, которое развивается, начиная от центральной выпуклости спинки входной лопасти.
Решение, предназначенное для устранения этого шума и называемое “clipping”, состоит в уменьшении наружного диаметра выходного винта таким образом, чтобы завихрения, создаваемые входным винтом, проходили снаружи выходного винта, в частности, снаружи цилиндра, образуемого выходным винтом во время вращения, и не взаимодействовали с последним. Однако это решение не является вполне удовлетворительным, так как оно приводит к снижению тяги, производимой выходным винтом, и, следовательно, к ухудшению характеристик газотурбинного двигателя. Можно было бы увеличить нагрузку выходного винта, чтобы компенсировать уменьшение его диаметра, но этот винт станет в таком случае более сложным в механическом выполнении и будет производить больше собственного шума.
Изобретение призвано предложить простое, эффективное и экономичное решение этой проблемы.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Объектом изобретения является газотурбинный двигатель с продольной осью, содержащий два коаксиальных наружных винта, соответственно входной и выходной.
В заявленном газотурбинном двигателе по меньшей мере некоторые из лопастей входного винта содержат по меньшей мере один внутренний воздуховод для циркуляции воздуха, сообщающийся, с одной стороны, с воздухозаборными отверстиями для отбора воздуха в граничных слоях лопастей и сообщающийся, с другой стороны, на своем радиально наружном конце с выходными воздушными отверстиями, выходящими на уровне входов отверстий на спинки лопастей, при этом воздухозаборные отверстия расположены радиально в зоне, составляющей от 10% до 45% радиального размера лопастей и измеренной над и начиная от радиальной высоты лопастей, на которой касательная передней кромки является ортогональной к продольной оси, при этом входы воздухозаборных отверстий находятся в зоне, составляющей от 0% до 30%, предпочтительно от 10% до 30% локальной хорды лопастей и измеренной на высоте упомянутых входов и начиная от передних кромок лопастей.
Таким образом, особое расположение входов воздухозаборных отверстий позволяет уменьшить источник интенсивного завихрения, которое развивается на уровне входного винта, отклоняя его, прежде чем оно не соединится с завихрением в вершине лопастей.
Воздухозаборные отверстия находятся радиально снизу выходных воздушных отверстий и соединены с последними через по существу радиальные воздуховоды, выполненные внутри лопастей. Воздуховоды могут иметь другое расположение, например, могут проходить в виде зигзага внутри лопастей. Таким образом, воздухозаборные отверстия находятся на радиусах или на радиальных расстояниях от оси двигателя, меньших, чем радиальные расстояния выходных отверстий, поэтому между входом и выходом внутренних воздуховодов лопастей создается достаточная разность давления. Во время работы центробежные силы и разности давления между зонами отбора и выходом воздуха являются достаточными, чтобы направлять отбираемый воздух через воздуховоды лопастей до выходных отверстий. Воздух, выходящий из этих отверстий, удаляется наружу лопастей входного винта и позволяет разрушить слияние завихрений слабой интенсивности, создаваемых этим винтом.
Таким образом, изобретение не требует уменьшения размеров входного и выходного винтов, которые могут иметь по существу одинаковый наружный диаметр.
Отбор воздуха происходит на спинках лопастей, где завихрения в граничных слоях являются наибольшими. В варианте воздухозаборные отверстия могут выходить на корытца лопастей и даже одновременно на корытца и на спинки лопастей. Давление воздуха на корытцах лопастей выше, чем на их спинках. Однако, как правило, граничные слои на корытцах являются более безвредными. Следовательно, отбор воздуха на корытцах лопастей не всегда является обязательным.
Предпочтительно входы воздухозаборных отверстий расположены только в упомянутых зонах Н1 и L1 лопастей входного винта.
Упомянутый по меньшей мере один внутренний воздуховод циркуляции воздуха может быть по существу радиальным.
Воздухозаборные отверстия могут иметь удлиненное или вытянутое сечение.
Выходные воздушные отверстия могут выходить наружу лопастей на уровне выходов отверстий, при этом упомянутые выходы отверстий находятся в зоне, составляющей от 0% до 60% (предпочтительно от 0% до 15%) локальной хорды лопастей и измеренной на высоте упомянутых выходов и начиная от передних кромок лопастей, то есть в зоне, где давление ниже, чем во входном отверстии. Выходные воздушные отверстия могут выходить наружу лопастей на уровне выходов отверстий, при этом упомянутые выходы радиально находятся в зоне Н3, составляющей от 85% до 100% радиального размера лопастей и измеренной от ножек лопастей.
Предпочтительно упомянутые выходные отверстия находятся только в упомянутой зоне Н3 радиального размера лопастей.
Предпочтительно выходные воздушные отверстия открыты на спинках лопастей.
Выходные воздушные отверстия могут быть ориентированы в сторону вершины лопастей таким образом, чтобы в осевом разрезе угол между радиальной осью лопастей и направлением выхода воздуха составлял от 0° до 90°.
Выходные воздушные отверстия могут быть ориентированы в сторону спинки лопастей таким образом, чтобы в радиальном разрезе угол между радиальной осью лопастей и направлением выхода воздуха составлял от 0° до 90°.
Входной и выходной винты могут иметь по существу одинаковый наружный диаметр.
Входной и выходной винты могут быть не капотированными и могут быть винтами противоположного вращения.
Входной и выходной винты могут быть капотированными и могут не быть винтами противоположного вращения.
ОПИСАНИЕ ФИГУР
Изобретение и его другие детали, признаки и преимущества будут более понятны из нижеследующего описания, представленного в качестве не ограничительного примера со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг. 1 - схематичный вид в осевом разрезе газотурбинного двигателя с не капотированными винтами.
Фиг. 2 - частичный схематичный вид в перспективе входного винта известного газотурбинного двигателя с не капотированными винтами.
Фиг. 3 - схематичный вид известного газотурбинного двигателя с не капотированными винтами.
Фиг. 4 - схематичный вид в осевом разрезе лопасти входного винта заявленного газотурбинного двигателя с не капотированными винтами.
Фиг. 5 - вид в разрезе по линии А-А фиг. 4.
Фиг. 6 - схематичный вид лопасти входного винта турбины со стороны передней кромки без контура и с контуром отбора воздуха в соответствии с изобретением.
Фиг. 7 - схематичный вид лопасти входного винта турбины со стороны спинки без контура и с контуром отбора воздуха в соответствии с изобретением.
Фиг. 8 - схематичный осевой вид лопасти, представленный для понимания изобретения.
Фиг. 9 - график, показывающий значение изгиба вдоль радиальной оси лопасти.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
На фиг. 1 показан газотурбинный двигатель 10 с не капотированными винтами (на английском языке “open rotor” или “unducted fan”), который содержит от входа к выходу по направлению потока газов внутри газотурбинного двигателя компрессор 12, кольцевую камеру 14 сгорания, входную турбину 16 высокого давления и две выходные турбины 18, 20 низкого давления, которые является турбинами противоположного вращения, то есть вращаются в противоположных направлениях вокруг продольной оси Х газотурбинного двигателя.
Каждая из выходных турбин 18, 20 соединена во вращении с наружным винтом 22, 24, который расположен радиально снаружи гондолы 26 газотурбинного двигателя, причем эта гондола 26 является по существу цилиндрической и расположена вдоль ось Х вокруг компрессора 12, камеры 14 сгорания и турбин 16, 18 и 20.
Воздушный поток 29, поступающий в компрессор 12, сжимается, затем смешивается с топливом и сгорает в камере 14 сгорания, после чего газообразные продукты сгорания проходят в турбины, приводя во вращение винты 22, 24, которые обеспечивают основную часть тяги, создаваемой газотурбинным двигателем. Газообразные продукты сгорания (стрелки 31) выходят из турбин и затем удаляются через сопло 30, увеличивая эту тягу.
Винты 22, 24 расположены коаксиально один за другим. Как известно, каждый из этих винтов 22, 24 содержит множество лопастей, равномерно распределенных вокруг оси Х газотурбинного двигателя, при этом каждая лопасть расположена по существу радиально и содержит входную переднюю кромку, выходную заднюю кромку, радиально внутренний конец, образующий ножку лопасти, и радиально наружный конец, образующий вершину лопасти.
Входной винт 22 имеет по существу такой же диаметр, что и выходной винт 24, поэтому эти винты создают во время работы одинаковую тягу, и весь воздушный поток, проходящий между лопастями входного винта, проходит также между лопастями выходного винта.
На фиг. 2 представлен частичный схематичный вид в перспективе входного винта 22 известного газотурбинного двигателя, а также показано изменение линий потока на лопасти этого винта. Линии 32, 34, 36 потока проходят между лопастями винта и более или менее следуют профилю этих лопастей, начиная от передних кромок 38 до задних кромок 40 этих лопастей.
Линии 32 потока, проходящие по радиально внутренним концевым частям лопастей, являются по существу параллельными между собой. С другой стороны, линии 34, 36 потока, проходящие по радиально наружным концевым частям, стремятся приблизиться друг к другу, причем это явление становится все более интенсивным по мере приближения к вершинам 42 лопастей. Линии 36 потока, которые проходят на уровне вершин лопастей, закручиваются друг на друге и образуют завихрения 44, которые попадают на лопасти выходного винта 24 (фиг. 3), результатом чего становится очень сильное шумовое воздействие.
Задачей изобретения является уменьшение в источнике интенсивности завихрения, которое формируется на уровне линий 34 потока лопастей входного винта 22, посредством всасывания этого завихрения, прежде чем оно соединится с вершинным завихрением, образуемым линиями 36 потока. Задачей изобретения является также уменьшение интенсивности вершинного завихрения.
В рамках изобретения предложено выполнить в лопастях входного винта 22 всасывающие или воздухозаборные отверстия для отбора воздуха в граничных слоях лопастей в центральных зонах спинок, близких к передним кромкам 38, при этом отбираемый воздух затем удаляется наружу входного винта 22, разрушая структуру завихрений 42 меньшей интенсивности, которые формируются в вершинах лопастей.
Как показано на фиг. 4 и 5, лопасти входного винта 122 содержат по меньшей мере один внутренний воздуховод 150 для циркуляции воздуха, который сообщается, с одной стороны, с воздухозаборными отверстиями 152, проходящими через боковые стенки лопастей и выходящими на спинки 156 этих лопастей, и, с другой стороны, с отверстиями 158 выхода отбираемого воздуха, которые открыты вблизи вершин 142 лопастей. Воздухозаборные отверстия 152 позволяют засасывать завихрение, как только оно начинает формироваться, в частности, от 50% до 60% радиального размера (размаха) Н2 лопастей. Таким образом, завихрение, создаваемое лопастями входного винта 122, будет иметь меньшую энергию и меньший диаметр, и, следовательно, сечение завихрения, действующего на лопасть выходного винта, будет уменьшено. Это позволяет значительно снизить шум взаимодействия.
Чтобы все воздухозаборные отверстия 152 были активными, то есть чтобы они хорошо всасывали завихрение, необходимо присутствие положительной разности давления между входом отверстий 152 и местом, где они открываются. Для этого каждое воздухозаборное отверстие 152 выполнено в виде канала, соединенного с внутренним воздуховодом 150, который проходит внутрь лопасти и выходит вблизи ее вершины 142, например, вблизи передней кромки, и на спинку 156, где давление ниже, чем на уровне входов 152а отверстий 152.
Решением для выполнения систем «воздухозаборные отверстия 152 - воздуховод 150» является использование так называемых расходных волокон. Они представляют собой тканые трехмерные волокна, как правило, карбоновые волокна, скрепленные между собой смолой, которые затем растворяются химическим путем для выполнения упомянутых наборов. Можно также предусмотреть выполнение лопастей 148 посредством тканья вокруг трубок небольшого диаметра из материала, подобного материалу расходных волокон, чтобы растворять их тем же химическим способом. Диаметр D этих элементов рассчитывают в зависимости от силы всасывания, необходимой для уменьшения интенсивности завихрения на передней кромке.
Внутренние воздуховоды 150, например, в количество одного на каждую лопасть, имеют удлиненную форму в радиальном направлении и проходят по существу параллельно радиальной форме лопастей 148.
Входы 152а воздухозаборных отверстий 152 радиально находятся в зоне Н1, составляющей от 10% до 40% высоты Н2 лопасти, то есть от 0,1 Н2 до 0,45 Н2 (фиг. 7 и 9), и измеренной над нулем изгиба. Ноль изгиба определяют как радиальную высоту лопасти, на которой касательная передней кромки является радиальной, то есть параллельной относительно продольной оси Х газотурбинного двигателя. Выходы выходных воздушных отверстий 158 предпочтительно находятся в зоне Н3, составляющей от 85% до 100% высоты лопасти и измеренной от ножки лопасти.
Для повышения эффективности всасывания следует соблюдать оптимальную разность давления. Для этого входы 152а воздухозаборных отверстий 152 предпочтительно находятся в осевом направлении в зоне L1, составляющей от 0% до 30% и, в частности, от 10% до 30% локальной хорды L2, и измеренной от передней кромки 138. Под локальной хордой следует понимать хорду, измеренную на радиальной высоте рассматриваемого входа 152а. Таким образом, для данной высоты входа 152а отверстия хорда L2 является наиболее коротким путем/прямой, которая соединяет переднюю кромку 138 с задней кромкой 140. Точно так же, выходы выходных воздушных отверстий 158 предпочтительно находятся в осевом направлении в зоне, составляющей от 0% до 60% (предпочтительно от 0% до 15%) локальной хорды и измеренной от передней кромки. 0% зоны соответствует выходам выходных воздушных отверстий 158, находящимся на передней кромке.
Предпочтительно воздухозаборные отверстия 152а находятся только в зоне Н1 и L1 лопасти 148, а выходные воздушные отверстия 158 находятся только в зоне Н3, чтобы эффективно уменьшать завихрения передней кромки входной лопасти, прежде чем они не соединятся с завихрением в вершине выходной лопасти.
Завихрение передней кромки формируется на уровне передней кромки 138, как указывает его название, и стремится отдалиться от нее по мере перемещения по высоте лопасти. Задачей является всасывание/уменьшение энергии этого завихрения и перемещение потока к верхней части лопасти с направлением, которое следует изгибу лопасти.
Удаление потока должно также способствовать уменьшению интенсивности завихрения в вершине лопасти и радиальное удаление его положения с противодействием направлению его потока. Как показано на фиг. 6 и 7, в конфигурации 1 (без контура отбора воздуха) и в конфигурации 2 (с контуром отбора воздуха) завихрение 144 на конце лопасти обладает меньшей энергией в конфигурации 2, чем завихрение 44 в конфигурации 1, и, следовательно, создает меньше потерь, что позволяет повысить КПД газотурбинного двигателя. Кроме того, интенсивность завихрения 144 меньше в конфигурации 2, и завихрение 144 радиально удалено в конфигурации 2, что позволяет избегать воздействия завихрения 144 на выходную лопасть. Это позволяет отказаться от увеличения радиуса выходной лопасти и получить выигрыш в производительности или уменьшить шум взаимодействия между входным винтом и выходным винтом.
1
2
Угол α, α удаления воздуха в вершине лопасти предпочтительно ориентирован к задней кромке 140 лопасти 148, а также направлен вверх лопасти 148. Направление удаления воздуха показано стрелками 160 (фиг. 6 и 7).
1
2
2
1
Таким образом, этот угол α, α удаления воздуха относительно продольной оси Х газотурбинного двигателя или, эквивалентно, относительно радиальной оси Y составляет от 0° до 90°. Как показано на фиг. 7, угол α удаления примерно равен 50° относительно продольной оси Х. Как показано на фиг. 6, удаление воздуха предпочтительно происходит со стороны спинки 156. Угол α между радиальной осью Y лопасти и направлением удаления воздуха может составлять от 0° до 90°. На фиг. 6 он равен примерно 40°.
Таким образом, изобретение обеспечивает ряд преимуществ:
- уменьшение шума взаимодействия завихрения передней кромки: акустический выигрыш,
- уменьшение шума взаимодействия завихрения конца лопасти: акустический выигрыш,
- уменьшение потерь от завихрения конца лопасти: выигрыш в производительности газотурбинного двигателя.
Заявленная система уменьшает граничный слой, который образуется на половине размаха на спинке входной лопасти, за счет выполнения всасывающих отверстий в зоне от 10% до 40% высоты лопасти над нулем изгиба и вблизи передней кромки от 10% до 30% хорды. Это позволяет уменьшить завихрение в его источнике на уровне центральной выпуклости лопасти. Выходные воздушные отверстия предпочтительно открыты на спинке входных лопастей вблизи передних кромок и вершин лопастей, что позволяет уменьшить интенсивность вершинного завихрения как можно ближе к месту, где оно образуется.
Изобретение дает следующие преимущества:
- уменьшение энергии вершинного завихрения, благодаря отверстиям, которые открыты как можно ближе к месту, где образуются вершинные завихрения, на уровне передней кромки входной лопасти,
- уменьшение срыва потока на спинке входной лопасти, благодаря выполненным в лопасти всасывающим отверстиям,
- снижение шума взаимодействия на точках низкой скорости за счет уменьшения завихрения, которое образуется на уровне центральной выпуклости лопасти, благодаря всасыванию граничного слоя на спинке на этом размахе лопасти. Интенсивность вершинного завихрения уменьшается также за счет обдува в вершине лопасти.
В представленном описании входной и выходной винты газотурбинного двигателя являются не капотированными и с противоположным вращением в газотурбинном двигателе. Однако изобретение не ограничивается этой конфигурацией и относится также к газотурбинным двигателям, содержащим капотированные входной и выходной винты как противоположного вращения, так и не противоположного вращения.