Биротативный винтовентилятор

Биротативный винтовентилятор

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к авиационному двигателестроению, конкретно к вентиляторам авиационных газотурбинных двигателей.

Одной из основных задач при разработке авиационных двигателей, в конструкции которых применены биротативные винтовентиляторы, составленные из двух противоположно вращающихся относительно оси винтовентилятора рабочих колес, является достижение удовлетворительных акустических характеристик таких винтовентиляторов при одновременном обеспечении требуемых аэродинамических и прочностных характеристик. Создаваемый биротативным винтовентилятором шум, уровень которого необходимо снижать до требуемых международных норм, есть следствие аэродинамического взаимодействия полей течений, образуемых вращающимися в противоположных направлениях лопатками рабочих колес, а также взаимодействия концевых вихрей от лопаток первого колеса с лопатками второго колеса и взаимодействия концевых вихрей от лопаток обоих колес за вторым рабочим колесом. Вследствие двух последних обстоятельств периферийные участки лопаток вносят более значительный вклад в создаваемый винтовентилятором шум.

При проектировании лопатки рабочего колеса винтовентилятора необходимо разработать ее геометрию, которая должна обеспечивать на выходе из лопатки требуемые распределения вдоль высоты лопатки степеней повышения полного давления, расходов воздуха и эффективностей происходящих в межлопаточных каналах процессов. Непосредственно форма лопатки определяется найденными при проектировании распределениями по высоте лопатки требуемых углов входа и углов выхода для ее срединной скелетной поверхности нулевой толщины и, следовательно, распределениями углов изгиба этой скелетной поверхности, которые определяются как разность между углами входа и углами выхода. Затем скелетная поверхность «одевается» необходимыми телесными аэродинамическими профилями с изменяющейся по высоте лопатки формой.

Предлагаемое изобретение применяется для обоих рабочих колес на стадии профилирования лопаток, перед тем как их скелетные поверхности нулевой толщины, для которых уже найдены распределения требуемых углов входа, углов выхода и углов изгиба, необходимо в поперечных сечениях лопаток «одеть» аэродинамическими профилями выбранной формы.

Известен незакапотированный биротативный винтовентилятор, патент Германии DE №3933776 от 10 октября 1989 г., состоящий из двух противоположно вращающихся относительно оси винтовентилятора рабочих колес с лопатками, выполненными с аэродинамическими профилями в поперечных сечениях. Традиционная форма лопаток обоих рабочих колес позволяет заключить, что эти лопатки спрофилированы с аэродинамической нагруженностью профилей, незначительно изменяющейся вдоль высоты лопаток для обеспечения приблизительно равномерного распределения по высоте создаваемых рабочими колесами величин степеней повышения полного давления. Вследствие этого возмущающее воздействие на поток периферийных участков лопаток оказывается таким же значительным, как и других участков лопаток. Поэтому остаются интенсивными аэродинамическое взаимодействие между лопатками обоих рабочих колес и взаимодействие концевых вихрей, что приводит к возникновению повышенного уровня создаваемого винтовентилятором шума.

Известен незакапотированный биротативный винтовентилятор, патент США №5,028,207 от 2 июля 1991 г., состоящий из расположенных друг за другом первого рабочего колеса и второго рабочего колеса с лопатками, у которых контуры поперечных сечений образуют аэродинамические профили, охватывающие заданную для профилирования скелетную поверхность нулевой толщины, построенную по изменяющимся вдоль высоты лопаток углам входа, углам выхода и углам изгиба профиля. В данном винтовентиляторе периферийные профили лопаток обоих рабочих колес выполнены со значительными изгибами, что свидетельствует о значительной аэродинамической нагруженности периферийных участков лопаток, вследствие чего возмущающее воздействие на поток периферийных участков лопаток оказывается достаточно значительным. Из-за этого и в этом винтовентиляторе остаются интенсивными аэродинамическое взаимодействие между лопатками обоих рабочих колес и взаимодействие концевых вихрей, и, следовательно, происходит возникновение повышенного уровня шума.

Технической задачей заявляемого технического решения является снижение уровня шума, создаваемого биротативным винтовентилятором.

В заявляемом техническом решении значительно ослабляются:

- интенсивность аэродинамического взаимодействия полей течений, образуемых вращающимися лопатками рабочих колес;

- интенсивность взаимодействия концевых вихрей от лопаток первого колеса с лопатками второго колеса;

- интенсивность взаимодействия концевых вихрей от лопаток обоих колес за вторым рабочим колесом,

что и приводит к снижению уровня шума, создаваемого рабочими колесами биротативного винтовентилятора.

Технический результат достигается заявляемым биротативным винтовентилятором, состоящим из расположенных друг за другом первого рабочего колеса и второго рабочего колеса с лопатками, у которых контуры поперечных сечений образуют аэродинамические профили, охватывающие заданную профилированную скелетную поверхность нулевой толщины, которую строят по изменяющимся вдоль высоты лопаток заданным углам входа (a_вxi), заданным углам выхода (В_выхi) и образованным из их разности углам изгиба (a_i) профиля, причем, в обоих рабочих колесах, для уменьшения угла изгиба (а_i) профиля в периферийных областях лопаток и увеличения угла изгиба (а_i) профиля в срединных областях лопаток за счет изменения угла выхода при неизменном угле входа (a_вxi), аэродинамические профили в поперечных сечениях лопаток, расположенных выше поперечного сечения, отстоящего от втулки на 0,25-0,35 высоты (h_b) лопаток, выполняют с измененными углами выхода, полученными алгебраическим суммированием заданных углов (a_выхi) выхода и корректирующих углов (а_ci), при этом корректирующие углы (а_ci) определяют по соотношению:

а_ci={c₁×[(h_i-h_b)/(H-h_b)]³+c₂×[(h_i-h_b)/(H-h_b)]²+c₃×[(h_i-h_b)/(H-h_b)]}×a_i,

где c₁ - константа при члене третьей степени, находящаяся в диапазоне -3,87÷0,0,

c₂ - константа при члене второй степени, находящаяся в диапазоне +7,19÷0,0,

c₃ - константа при члене первой степени, находящаяся в диапазоне -2,92÷0,0,

а_сi - корректирующий угол в градусах, алгебраически суммируемый с заданным углом выхода в локальном поперечном сечении лопатки,

h_b - нижняя граница высоты расположения локального поперечного сечения лопатки, выше которой выполняется коррекция заданных углов выхода и которая отстоит от высоты расположения втулочного поперечного сечения на 0,25-0,35 высоты лопатки,

h_i - локальное значение высоты расположения локального поперечного сечения лопатки, отсчитываемое от высоты расположения втулочного поперечного сечения,

Н - высота лопатки,

a_вxi - заданный угол входа,

a_выxi - заданный угол выхода,

а_i - образованный угол изгиба профиля в градусах в локальном поперечном сечении лопатки, который равен разности между заданным углом входа (а_вхi) и заданным углом выхода (a_выxi), отсчитываемыми от оси вращения винтовентилятора, а_i=a_вxi-a_выxi.

Биротативный винтовентилятор может быть выполнен закапотированным, т.е. содержать наружную обечайку.

В поперечном сечении лопатки, контуром которого является выбранный аэродинамический профиль, поперечное сечение скелетной поверхности ограничено кривой линией, проходящей внутри аэродинамического профиля и имеющей выпуклость в сторону спинки лопатки. Угол изгиба профиля в поперечном сечении лопатки определяется как разность между углом входа и углом выхода этой кривой линии, причем эти углы отсчитываются относительно оси вращения винтовентилятора.

Применение в вышеприведенной формуле для заявляемого биротативного винтовентилятора левых граничных значений констант c₁÷c₃ из их диапазонов изменения (c₁=-3,87, c₂=+7,19, с₃=-2,92) приводит для лопаток обоих рабочих колес к значениям корректирующего угла а_ci уменьшающимся от максимального положительного значения на периферии, составляющего ≈0,40 от требуемого угла изгиба профиля а_i в периферийном поперечном сечении лопатки, до 0,0 в поперечном сечении, отстоящем от втулки на 0,70-0,74 высоты лопатки, и до минимального отрицательного значения, составляющего ≈-0,33 от требуемого угла изгиба профиля а_i в поперечном сечении, отстоящем от втулки на 0,48-0,54 высоты лопатки, и затем увеличивающегося до 0,0 в граничном поперечном сечении, отстоящем от втулки на 0,25-0,35 высоты лопатки. Для поперечных сечений, расположенных ниже этого граничного сечения, корректирующий угол a_ci должен приниматься равным 0,0.

Увеличение углов выхода на периферийных участках из-за прибавления корректирующего угла к требуемому углу выхода при неизменном угле входа и, следовательно, уменьшение угла изгиба профиля в периферийных участках лопаток обоих рабочих колес обеспечивают уменьшение аэродинамической нагруженности профилей периферийных участков и, как следствие, уменьшение возмущающего воздействия этих участков на обтекающий их поток и ослабление интенсивности концевых вихрей, образуемых этими участками. Так как уменьшение аэродинамической нагруженности периферийных участков лопаток вызывает и снижение создаваемых этими участками величин степеней повышения полного давления, то для компенсации недобора степени повышения полного давления в периферийных областях лопаток одновременно увеличиваются величины степеней полного давления, создаваемых срединными участками лопаток, для чего адекватно увеличиваются углы изгиба профиля в этих срединных участках лопаток за счет вычитания корректирующего угла из требуемого угла выхода при неизменном угле входа.

Вследствие преобладающей роли аэродинамической нагруженности периферийных участков лопаток в создании шума винтовентилятора уменьшение углов изгиба профилей в поперечных сечениях периферийных участков лопаток обоих рабочих колес и связанное с этим уменьшение аэродинамической нагруженности профилей этих участков, несмотря на адекватное увеличение нагруженности профилей поперечных сечений срединных участков лопаток, приводит к тому, что ослабляется интенсивность аэродинамического взаимодействия полей течений, образуемых возмущаемым воздействием рабочих колес, и особенно значительно ослабляются интенсивность взаимодействия концевых вихрей от лопаток первого колеса с лопатками второго колеса и интенсивность взаимодействия концевых вихрей от лопаток обоих колес за вторым рабочим колесом, а следовательно, понижается уровень создаваемого винтовентилятором шума.

При нулевых значениях констант c₁÷с₃, соответствующих правой границе из их диапазона изменения, корректирующий угол a_ci становится равным 0,0 для периферийных и срединных участков лопаток, а следовательно, исчезает положительный эффект от применения заявляемого изобретения.

Дополнительно сущность предлагаемого изобретения поясняется на представленных чертежах.

На фиг.1 показан вид рабочих колес заявленного биротативного винтовентилятора в меридиональном сечении.

На фиг.2 приведен вид срединной скелетной поверхности нулевой толщины для лопатки первого рабочего колеса.

На фиг.3а показано локальное поперечное сечение по А-А, фиг.1, лопатки первого рабочего колеса на произвольной локальной высоте лопатки.

На фиг.3б показано локальное поперечное сечение по А-А, фиг.1, лопатки второго рабочего колеса на произвольной локальной высоте лопатки.

На фиг.1 в меридиональном сечении заявленного биротативного винтовентилятора показаны расположенные друг за другом первое рабочее колесо 1 и второе рабочее колесо 2, вращающиеся в противоположных направлениях относительно оси 3 винтовентилятора. Лопатки 4 первого рабочего колеса 1 и лопатки 5 второго рабочего колеса 2 могут быть выполнены поворачивающимися соответственно в дисках 6 и 7 относительно радиальных осей 8 и 9 или закрепленными неподвижно в этих дисках. Входная кромка 10 и выходная кромка 11 лопатки 4, а также входная кромка 12 и выходная кромка 13 лопатки 5 могут иметь изменяющиеся вдоль высоты Н данных лопаток формы, обеспечивающие у лопаток 4 и 5 прямую или обратную стреловидность. Для сведения, на фиг.1 показаны высота Н лопатки 4 первого рабочего колеса 1 и высота Н лопатки 5 второго рабочего колеса 2, а также локальные высоты h_i расположения поперечных сечений соответственно в лопатке 4 и в лопатке 5.

В случае использования закапотированного биротативного вентилятора он может быть оборудован наружной обечайкой (капотом) 14.

На фиг.2 для примера представлена скелетная поверхность 15 нулевой толщины, которая могла быть получена при разработке лопатки, подобной лопатке 4 первого рабочего колеса 1. Как видно из этой фигуры, найденные распределения заданных углов входа в скелетную поверхность и заданных углов выхода из нее обеспечивают непрерывное уменьшение изгиба скелетной поверхности в направлении от втулки 16 до периферии 17.

На фиг.3a и 3б приведены локальные поперечные сечения лопатки 4 первого рабочего колеса 1 и лопатки 5 второго рабочего колеса 2, расположенные на локальных высотах h_i этих лопаток 4 и 5 (сечение А-А винтовентилятора, фиг.1). Поперечное сечение скелетной поверхности, составляющей основу лопатки 4, и поперечное сечение скелетной поверхности, составляющей основу лопатки 5, представляют собой соответственно кривые линии 18 и 19, проведенные штрихами. Контуры поперечных сечений лопаток 4 и 5 представляют собой требуемые для обеспечения аэродинамических характеристик аэродинамические профили 20 лопаток 4 и 21 лопаток 5. Эти аэродинамические профили 20 и 21 при профилировании лопаток «одеваются» соответственно на поперечные сечения 18 и 19 скелетных поверхностей лопаток 4 и 5. Для сведения, на фиг.3a и 3б показаны углы входа a_вхi соответственно в поперечные сечения скелетных поверхностей лопаток 4 и лопаток 5 и углы a_выхi+a_ci выхода из этих поперечных сечений, а также углы изгиба а_i-a_сi поперечных сечений скелетных поверхностей соответственно лопаток 4 и 5. Углы входа a_вxi и углы выхода a_выхi+a_ci отсчитываются от прямых линий, параллельных оси 3 винтовентилятора. Углы a_i-a_ci изгиба поперечных сечений скелетных поверхностей, равные разностям соответственно между углом входа a_вxi и углом выхода a_выхi+a_ci лопатки 4 и между углом входа a_вxi и углом выхода a_выхi+а_сi лопатки 5, одновременно являются и углами изгиба соответственно профилей 20 и 21 в поперечных сечениях лопаток 4 и 5.

Очевидно, что увеличение угла выхода при неизменном угле входа приводит к уменьшению угла изгиба профиля в поперечном сечении лопатки, а уменьшение угла выхода при неизменном угле входа вызывает возрастание угла изгиба профиля.

Таким образом, технический результат в заявляемом биротативном винтовентиляторе достигается благодаря тому, что после того, как в процессе проектирования лопаток первого и второго рабочих колес найдены распределения по высоте лопаток заданных углов входа и заданных углов выхода их скелетных поверхностей, обеспечивающие необходимые распределения за лопатками степеней повышения полного давления, расходов воздуха и эффективностей, распределения углов выхода корректируются путем алгебраического суммирования заданных углов выхода и корректирующих углов, определяемых по заявляемому соотношению, с целью обеспечения уменьшения углов изгиба профилей в периферийных участках лопаток и адекватного увеличения углов изгиба профилей в срединных участках лопаток при неизменных углах входа. Уменьшение угла изгиба профиля в периферийных участках лопаток обоих рабочих колес способствует уменьшению аэродинамической нагруженности профилей периферийных участков и, следовательно, уменьшению возмущающего воздействия этих участков на обтекающий их поток и ослаблению интенсивности концевых вихрей, образуемых этими участками. Вызванный уменьшением углов изгиба профилей недобор степени повышения полного давления в периферийных областях лопаток компенсируется одновременным увеличением степеней повышения полного давления, создаваемых срединными участками лопаток из-за повышения углов изгиба профиля в этих срединных участках. Так как аэродинамическая нагруженность периферийных участков лопаток играет преобладающую роль в создании шума винтовентилятора, то с помощью уменьшения углов изгиба профилей в поперечных сечениях периферийных участков лопаток обоих рабочих колес, несмотря на адекватно увеличенные углы изгиба профилей поперечных сечений срединных участков лопаток, достигается ослабление интенсивности аэродинамического взаимодействия полей течений, образуемых возмущаемым воздействием рабочих колес, и особенно значительное ослабление интенсивности взаимодействия концевых вихрей от лопаток первого колеса с лопатками второго колеса и интенсивности взаимодействия концевых вихрей от лопаток обоих колес за вторым рабочим колесом, а следовательно, достигается понижение уровня создаваемого винтовентилятором шума.

1. Биротативный винтовентилятор, состоящий из расположенных друг за другом первого рабочего колеса и второго рабочего колеса с лопатками, у которых контуры поперечных сечений образуют аэродинамические профили, охватывающие заданную профилированную скелетную поверхность нулевой толщины, которую строят по изменяющимся вдоль высоты лопаток заданным углам входа, заданным углам выхода и образованным из их разности углам изгиба профиля, отличающийся тем, что в обоих рабочих колесах, для уменьшения угла изгиба профиля в периферийных областях лопаток и увеличения угла изгиба профиля в срединных областях лопаток за счет изменения угла выхода при неизменном угле входа, аэродинамические профили в поперечных сечениях лопаток, расположенных выше поперечного сечения, отстоящего от втулки на 0,25-0,35 высоты лопаток, выполняют с измененными углами выхода, полученными алгебраическим суммированием заданных углов выхода и корректирующих углов (a_ci), при этом корректирующие углы (a_ci) определяют по соотношению:a_ci={c₁·[(h_i-h_b)/(H-h_b)]³+c₂·[(h_i-h_b)/(H-h_b)]²+c₃·[(h_i-h_b)/(H-h_b)]}·a_i;где c₁ - константа при члене третьей степени, находящаяся в диапазоне -3,87÷0,0,c₂ - константа при члене второй степени, находящаяся в диапазоне +7,19÷0,0,c₃ - константа при члене первой степени, находящаяся в диапазоне -2,92÷0,0,a_ci - корректирующий угол в градусах, алгебраически суммируемый с заданным углом выхода в локальном поперечном сечении лопатки,h_b - нижняя граница высоты расположения локального поперечного сечения лопатки, выше которой выполняется коррекция заданных углов выхода и которая отстоит от высоты расположения втулочного поперечного сечения на 0,25-0,35 высоты лопатки,h_i - локальное значение высоты расположения локального поперечного сечения лопатки, отсчитываемое от высоты расположения втулочного поперечного сечения,H - высота лопатки,a_i - образованный угол изгиба профиля в градусах в локальном поперечном сечении лопатки, который равен разности между заданным углом входа и заданным углом выхода, отсчитываемыми от оси вращения винтовентилятора.

2. Биротативный винтовентилятор по п.1, отличающийся тем, что он выполнен закапотированным.