ЛОПАТКА РАБОЧЕГО КОЛЕСА ВЫСОКОНАПОРНОГО ОСЕВОГО КОМПРЕССОРА

Полезная модель относится к авиационному двигателестроению, а конкретно касается лопатки рабочего колеса высоконапорного осевого компрессора для газотурбинных двигателей.
Известны лопатки для использования в роторах компрессоров или вентиляторах тяговых авиационных двухконтурных турбореактивных двигателей (патент РФ №2264902, опубл. 2005). Лопатка содержит лопасть, хвостовик (хвостовую часть) и платформу (трактовую полку), выполненные как одно целое. Известны лопатки рабочего колеса высокооборотного осевого вентилятора или компрессора авиационного газотурбинного двигателя (патент РФ №2354854, опубл. 10.05.2009 г.), каждая из которых имеет сложную пространственную форму, образованную сверхзвуковыми аэродинамическими профилями в поперечных сечениях, причем профили поперечных сечений рабочей лопатки расположены по ее высоте таким образом, что центры тяжести профилей в меридиональной плоскости находятся на кривой линии, имеющей вынос вперед в периферийной части и выпуклость в средней части. Передняя кромка лопатки имеет обратную стреловидность в периферийной части и уравновешивающую ее выпуклость в средней части передней кромки лопатки, исключающую появление изгибно-крутильного флаттера на расчетной частоте вращения рабочего колеса, причем форма кривой линии положения центров тяжести профилей поперечных сечений лопатки в меридиональной плоскости определяется кубическим многочленом. Лопатка позволяет повысить КПД и увеличить запас газодинамической устойчивости высокооборотного осевого вентилятора или компрессора авиационного газотурбинного двигателя при отсутствии изгибно-крутильного флаттера лопаток рабочего колеса. Известна профильная загнутая назад лопатка рабочего колеса центробежного вентилятора (патент РФ №239058, опубл. 05.07.2010). Лопатка обеспечивает повышение аэродинамической нагруженности центробежного вентилятора с помощью устранения отрывного вихреобразования на тыльной стороне лопатки его рабочего колеса. Каждая профильная загнутая назад лопатка рабочего колеса имеет со стороны рабочей поверхности в области выходной части накрылок, установленный с конфузорным зазором по отношению к рабочей поверхности лопатки и имеющий вогнутую рабочую и выпуклую торцевую поверхности, причем внутри накрылка выполнена вихревая камера, сообщающаяся тангенциально с конфузорным зазором, а на его выпуклой торцевой поверхности из цилиндрической полости выполнены конфузорные каналы.
Известны лопатки рабочего колеса компрессора для авиационного газотурбинного двигателя, которые имеют твердотелую сложную пространственную форму периферийной части стандартного аэродинамического профиля, которые имеют плавные выпуклую сторону разряжения и вогнутую сторону давления, входную и выходную кромки по набегающему потоку, объединяющие стороны (К.В. Холщевников. Теория и расчет авиационных лопаточных машин. Изд. «Машиностроение», М., 1970 г. стр.122).
Лопатки рабочего колеса, тонкие и твердотелые, чувствительны к силовому возбуждению, особенно при нестационарном обтекании в системе многоступенчатого компрессора, что требует тщательной отстройки от резонансных колебаний.
Форма лопаток создает диффузорное межлопаточное пространство в рабочем колесе компрессора, где при имеющихся углах атаки и высокой относительной скорости на входе возникает резкое торможение потока на входном участке и высокий градиент статического давления, что приводит к образованию отрывного течения на выпуклой поверхности разряжения лопатки периферийной области, что значительно ограничивает диапазон устойчивой работы осевой ступени и осевого компрессора в целом. В основу полезной модели положена задача создания лопатки рабочего колеса высоконапорного осевого компрессора для авиационного газотурбинного двигателя, которая позволила бы расширить диапазон устойчивой работы осевой ступени и осевого компрессора в целом. Технический результат состоит в смещении образования отрывного течения на выпуклой поверхности разряжения периферийной части лопатки в сторону больших углов атаки, что расширяет диапазон безотрывного обтекания лопатки по углу натекания потока и тем самым расширила бы диапазон устойчивой работы осевой ступени и осевого компрессора в целом. Другим техническим результатом является повышение прочности лопатки за счет отстройки от резонансных колебаний увеличением массы периферийной части лопатки без увеличения осевых межвенцовых зазоров и осевых габаритов осевого компрессора.
Поставленная задача решается тем, что у лопатки рабочего колеса высоконапорного осевого компрессора для авиационного газотурбинного двигателя, содержащей твердотелую сложную пространственную форму периферийной части с аэродинамическим профилем, имеющим выпуклую сторону разряжения, сторону давления, входную и выходную кромки по набегающему потоку, объединяющие стороны, сторона разряжения имеет увеличенную выпуклость, сторона давления имеет вогнутую форму в передней по набегающему потоку части профиля с переходом примерно в средней части хорды профиля в выпуклую, и образуют периферийную часть лопатки с постепенным от входной кромки нарастанием толщины с достижением максимальной толщины примерно в средней части хорды профиля с некоторым смещением к выходной кромке, отстраивающей собственные колебания от резонансных и смещающей отрыв потока на поверхности разряжения лопатки в межлопаточном пространстве рабочего колеса компрессора в сторону больших углов атаки.
Целесообразно, чтобы сторона разряжения была бы выполнена наращиванием линии поперечного сечения скелетной поверхности лопатки частью стандартного аэродинамического профиля, максимальная толщина определена соотношением
c
где y - координата спинки стандартного аэродинамического профиля в точке ;
t - шаг периферийной решетки профилей рабочего колеса;
1
β - угол потока на входе в решетку профилей;
2
β - угол потока на выходе из решетки профилей;
Δβ - угол отклонения потока в решетке профилей,
а смещение к выходной кромке определено соотношением , где b - хорда периферийного профиля;
Сущность полезной модели поясняется приведенным ниже описанием примера ее реализации и чертежами, на которых
Фиг.1 - общий схематичный вид периферийной части лопатки в соответствии с предлагаемой полезной моделью,
Фиг.2 - увеличенный схематичный вид аэродинамического профиля той же лопатки,
Фиг.3 - расположение лопаток, согласно полезной модели, в межлопаточном канале компрессора, в виде периферийной решетки профилей
Фиг.4 - общий схематичный вид периферийной части лопатки стандартного профиля,
Фиг.5 - расположение лопаток стандартного профиля, в межлопаточном канале компрессора в виде периферийной решетки профилей Лопатка рабочего колеса высоконапорного осевого компрессора для авиационного газотурбинного двигателя содержит твердотелую сложную пространственную форму периферийной части 2 с аэродинамическим профилем 3, имеющим выпуклую сторону 4 разряжения, сторону 5 давления, входную 6 и выходную 7 кромки по набегающему потоку, объединяющие стороны давления и разряжения.
Сторона 4 разряжения, согласно полезной модели, имеет увеличенную выпуклость.
Увеличение выпуклости получают расчетным путем наращиванием линии поперечного сечения скелетной поверхности лопатки частью стандартного аэродинамического профиля.
Кроме того, сторона 5 давления, согласно полезной модели, имеет вогнутую форму в передней по набегающему потоку части профиля с переходом в выпуклую примерно в средней части хорды профиля. Форма стороны давления получена расчетным путем наращиванием линии поперечного сечения скелетной поверхности специальным профилем, имеющим точку перегиба примерно в средней части хорды и формирующим смещенную к выходной кромке повышенную максимальную толщину.
m
с
с
Стороны образуют аэродинамический профиль 3 периферийной части 2 лопатки с постепенным от входной кромки 6 нарастанием толщины. Толщина достигает максимального значения c примерно в средней части хорды профиля со смещением Х к выходной кромке 7, т.е. отстоит от входной кромки на Х. Смещение к выходной кромке определено , а максимальная толщина - соотношением
c
где y - координата спинки стандартного аэродинамического профиля в точке  (см. А);
t - шаг периферийной решетки профилей рабочего колеса;
b - хорда периферийного профиля;
1
β - угол потока на входе в решетку профилей;
2
β - угол потока на выходе из решетки профилей;
Δβ - угол отклонения потока в решетке профилей.
Увеличенная толщина лопатки в периферийной области является элементом отстройки от резонансных колебаний, повышая динамическую прочность стойкостью к возбуждению резонансных колебаний. При этом осевые межвенцовые зазоры и осевые габариты компрессора не увеличиваются
Две соседние лопатки рабочего колеса компрессора образуют межлопаточный канал, обеспечивающий поворот и торможение потока.
1
2
3
1
2
3
Благодаря постепенному нарастанию толщины канал между двумя соседними лопатками согласно полезной модели (фиг.3) имеет сечения f<f<f и является менее диффузорным (фиг.3), чем канал между двумя соседними лопатками стандартного профиля (фиг.5), где сечение канала f>f<f.
1
2
2
1
2
3
Торможение потока в периферийном сечении рабочего колеса с лопатками согласно полезной модели будет меньше, вследствие чего появление отрыва потока на поверхности разряжения лопатки смещается в сторону больших углов атаки, то есть диапазон безотрывного обтекания лопатки по углу натекания потока расширяется. Благодаря постепенному нарастанию толщины канал между двумя соседними лопатками согласно полезной модели (фиг.3) имеет сечения f<f<f и является менее диффузорным (фиг.3), чем канал между двумя соседними лопатками стандартного профиля (фиг.5), где сечение канала f>f<f. Межлопаточный канал профилей на фиг.3 имеет поджатую со стороны давления лопатки проточную часть, что снижает диффузорность канала. Поворот потока в межлопаточном канале осуществляется при меньшем торможении. Потери полного давления при такой организации течения снижаются и диапазон рабочих режимов по углу атаки потока увеличивается Полезная модель может быть использована в высоконапорных осевых компрессорах среднего и высокого давления авиационных газотурбинных двигателей.