Лопасть вентилятора турбореактивного двигателя, вентилятор турбореактивного двигателя и турбореактивный двигатель

Лопасть вентилятора турбореактивного двигателя, вентилятор турбореактивного двигателя и турбореактивный двигатель

Иллюстрации

Показать все

Реферат

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится к общей области лопастей для вентилятора турбореактивного двигателя. Более конкретно изобретение относится к их форме.

Подготовка лопасти вентилятора турбореактивного двигателя должна удовлетворять различным многофункциональным критериям. Лопасть вентилятора сконструирована, чтобы оптимизировать ее эффективность и ее тягу (в частности, производительность расхода на высокой скорости), в то же время гарантируя ей высокую механическую прочность, в частности, на высоких скоростях вращения, на которых механические напряжения, которым подвергается лопасть, являются самыми жесткими. Конструкция лопасти вентилятора также должна соответствовать целевым значениям шума, определенным в различных рабочих точках, описанным в современных стандартах.

Было предложено множество форм лопастей вентилятора. Они обычно отличаются накапливаемой связью для ведущих кромок своих профилей и изменением угла поворота передней кромки, для улучшения аэродинамических характеристик лопасти и снижения шума, производимого вентилятором. В качестве примера можно упомянуть публикацию ЕР 1452741, которая описывает конкретную повернутую форму лопасти для вентилятора турбореактивного двигателя или компрессора.

Задачей настоящего изобретения является разработка формы лопасти вентилятора, обеспечивающей существенное улучшение аэродинамики по сравнению с предшествующим уровнем техники, в частности характерного расхода, а также механических и акустических характеристик.

Согласно изобретению, эта задача решается лопастью вентилятора турбореактивного двигателя, содержащей хвостовик, концевую часть, переднюю кромку и заднюю кромку, причем передняя кромка лопасти имеет угол стреловидности, больший или равный +28° на участке лопасти, который расположен на радиальной высоте, лежащей в диапазоне от 60% до 90% от общей радиальной высоты лопасти, измеренной от ее хвостовика в направлении ее концевой части, причем угол стреловидности передней кромки имеет разность менее 10° между минимальным углом стреловидности, измеренным на радиальной высоте минимального угла стреловидности на участке лопасти, лежащем в диапазоне от 20% до 90% от радиальной высоты лопасти, и углом стреловидности, измеренным на радиальной высоте, которая на 10% больше, чем упомянутая радиальная высота минимального угла стреловидности, причем угол стреловидности передней кромки является положительным на участке лопасти, который расположен на радиальной высоте, лежащей в диапазоне от 0% до 15% от общей радиальной высоты лопасти. Значение, составляющее по меньшей мере +28° в точке перехода прямой стреловидности, которая соответствует точке передней кромки, в которой стреловидность изменяется на обратную для обратного поворота ведущей кромки, позволяет лопасти достигать максимального характерного расхода, превосходящего 210 килограммов в секунду на квадратный метр (кг/с/м²) с существенной работоспособностью для двигателя, то есть ограничивая увеличение угла атаки профилей без ухудшения настраиваемых устройств (изменяемый шаг, сопло, …). Его местоположение выше чем 60% от общей радиальной высоты лопасти выбирается из-за необходимости приспособления напряжений и акустических ограничений, которым подвергается лопасть. Механическое равновесие, требуемое для снижения напряжений при номинальной работе (срок службы области лопасти под каналом ступицы, продолжительные контактные поверхности между лопастью и диском), а также в экстремальных условиях (способность выдерживать заглатывание тяжелых птиц, высокие уровни вибрации), а также ограничения работоспособности, которые предотвращают слишком большое уменьшение хорды на концевом участке, накладывают ограничение на возможную амплитуду колебаний центра тяжести на высоте лопасти, и более того, на нижних 50%, где главным образом присутствуют напряжения. Расположение этой точки передней кромки, в которой стреловидность изменяется на обратную для обратного поворота ведущей кромки на радиальной высоте, меньшей чем 90% от общей радиальной высоты лопасти, служит для предотвращения чрезмерной обратной стреловидности в концевых секциях (то есть секциях, близких к корпусу, окружающему вентилятор) относительно нижних секций, чтобы гарантировать аэромеханическую стабильность лопасти.

Более того, ограничение в 10° для разности угла стреловидности передней кромки между радиальной высотой минимального угла стреловидности, расположенного в участке лопасти, лежащем в диапазоне от 20% до 90% от радиальной высоты лопасти, и углом поворота, измеренным на радиальной высоте, которая на 10% больше, чем радиальная высота минимального угла стреловидности, служит для улучшения акустических характеристик лопасти, получаемых за счет существенного уменьшения распространения турбулентности при ее запуске для рабочих точек при неполной тяге. Таким образом, только поведение (в терминах расхода, эффективности и звука) вторичного потока принимается во внимание (где вторичный поток обычно лежит в диапазоне от 20% до 100% от радиальной высоты лопасти).

Изобретение позволяет улучшить аэродинамические, акустические и механические характеристики лопасти.

Стреловидностью называется, по определению, отвод назад (положительная) или вперед (отрицательная) концевой хорды аэродинамической поверхности лопасти лопатки.

Передняя кромка может иметь отрицательный угол стреловидности (то есть стреловидность, направленная вперед) в нижней части лопасти, расположенной в диапазоне от 15% до 50%, причем разность между углом стреловидности передней кромки, составляющая менее 10°, на уровне радиальной высоты, соответствующей точке перехода прямой стреловидности, которая соответствует точке передней кромки, в которой стреловидность изменяется на обратную, и которая расположена непосредственно над высотой минимальной стреловидности, и углом стреловидности, измеренным на радиальной высоте, на 10% превышает радиальную высоту, соответствующую точке перехода прямой стреловидности. В предпочтительном варианте осуществления изобретения разность между максимальным значением абсциссы центра тяжести секций лопасти, расположенных над минимальной точкой абсциссы, и значением абсциссы центра тяжести секции лопасти, соответствующей минимальной точке абсциссы, меньше или равна 20% осевой хорды лопасти, измеренной в ее хвостовике. Преимущество такой реализации состоит в том, что она ограничивает момент лопасти и уравновешивает его, в частности, чтобы ограничить изгибающие моменты аэродинамического профиля на хвостовике лопасти.

Изобретение также относится к вентилятору турбореактивного двигателя и турбореактивному двигателю, включающему в себя множество лопастей, как определено выше.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Другие характеристики и преимущества настоящего изобретения приведены в нижеследующем описании, со ссылкой на прилагаемые чертежи, относящиеся к варианту осуществления, не имеющего ограничивающего характера, на которых:

фиг. 1 изображает частичный вид в продольном сечении секции вентилятора турбореактивного двигателя, содержащего лопасти согласно изобретению;

фиг. 2 - схему определения угла стреловидности;

фиг. 3 - профиль угла стреловидности передней кромки лопасти

согласно изобретению; и

фиг. 4 - проекцию на плоскость меридиана линии, проходящей через центры тяжести секций лопасти согласно изобретению.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Изобретение применимо к любой лопасти вентилятора турбореактивного двигателя, такой как лопасти, показанной на фиг. 1. Этот чертеж показывает фрагмент вентилятора 2 турбореактивного двигателя, содержащего множество лопастей 4 согласно изобретению, которые расположены на одинаковых расстояниях друг от друга вокруг продольной оси Х-Х турбореактивного двигателя, ориентированной в направлении воздушного потока, проходящего через вентилятор. Каждая лопасть 4 закреплена посредством хвостовика 6 на диске (или ступице) 8, который приводится во вращение вокруг продольной оси Х-Х турбореактивного двигателя в направлении стрелки F. Каждая лопасть может также содержать платформу 10, которая формирует часть внутренней стенки, определяющую внутреннюю сторону канала для потока холодного воздуха 12, проходящего через вентилятор. Стенка 14 корпуса, окружающего вентилятор, формирует наружную стенку, которая определяет наружную сторону того же самого канала.

В приведенном ниже описании для каждой лопасти 4 радиальная ось Z-Z определяется как перпендикуляр к продольной оси Х-Х, проходящий через центр тяжести секции, в которой лопасть пересекает внутреннюю стенку канала холодного воздушного потока. Касательная ось Y-Y (не показанная на чертежах) формирует правую прямоугольную систему координат вместе с осями Х-Х и Z-Z. Как показано на фиг. 1, каждая лопасть 4 содержит множество секций 16, определенных там, где лопасть пересекает плоскости, перпендикулярные радиальной оси Z-Z, с центрами тяжести, которые располагаются вдоль линии центров тяжести C_g.

Каждая лопасть 4 также расположена в радиальном направлении между хвостовиком 18 и концевой частью 20 и в продольном направлении между передней кромкой 22 и задней кромкой 24. Лопасть также закручена от своего хвостовика 18 к своей концевой части с возможностью сжатия холодного воздушного потока 12, проходящего через вентилятор во время работы.

В дальнейшем описании минимальная радиальная высота лопасти, равная 0%, определяется как соответствующая точке пересечения передней кромки лопасти с внутренней стенкой, определяющей внутреннюю сторону канала для холодного воздушного потока, а максимальная радиальная высота лопасти, равная 100%, определяется как соответствующая точка, в которой линия передней кромки радиально находится дальше всего от оси. Согласно изобретению, передняя кромка лопасти образует угол стреловидности, больший чем или равный +28° на участке лопасти, расположенном на радиальной высоте, лежащей в диапазоне от 60% до 90% от общей радиальной высоты лопасти, измеренной от ее хвостовика в направлении ее концевой части.

Как показано на фиг. 2, угол стреловидности обозначает угол, сформированный в точке на передней кромке 22 лопасти 4 между касательной Т к передней кромке и линией W, перпендикулярной вектору относительной скорости; указанная линия W, лежащая в плоскости Р, содержит как касательную Т, так и вектор относительной скорости. Указанный угол измеряется в плоскости Р.

Когда угол, сформированный между вектором (касательная, ориентированная в направлении увеличения радиуса) и вектором (ориентированным в направлении увеличения радиуса), положителен (как показано на фиг. 2), принято считать, что передняя кромка повернута назад. Напротив, когда угол α отрицателен, принято считать, что передняя кромка повернута вперед. Это определение соответствует и идентично определению, приведенному более точно в публикации авторов Leroy Н. Smith и Hsuan Yen, озаглавленной «Sweep and dihedral effects in axial-flow turbomachinery (Поворотные и двугранные эффекты в турбомашиностроении с осевым потоком)» (опубликованной в журнале базового инженерного дела (Journal of Basic Engineering) в сентябре 1963, стр. 401). Все значения, приводимые в настоящей заявке, рассчитываются в соответствии с формулами, подробно показанными в этой публикации.

Линия 26, показанная на фиг. 3, показывает пример того, как угол стреловидности передней кромки лопасти согласно изобретению меняется как функция радиальной высоты вдоль лопасти. В данном варианте осуществления передняя кромка лопасти повернута назад (то есть имеет положительный угол стреловидности) на величину, близкую к +30° для радиальной высоты в диапазоне от 70% до 80%.

Кроме того, в данном изобретении разность δ1 в угле стреловидности передней кромки меньше чем 10° (по абсолютной величине) между углом стреловидности на радиальной высоте H_min минимального угла стреловидности, который соответствует минимальному значению угла стреловидности и который расположен на участке лопасти, проходящей между 20% и 90% от радиальной высоты лопасти, и углом стреловидности, измеренным на радиальной высоте H_min+10, которая на 10% больше, чем радиальная высота минимального угла стреловидности.

Термин «радиальная высота H_min минимального угла стреловидности» используется в материалах настоящей заявки, чтобы обозначать радиальную высоту передней кромки лопасти, на которой значение угла стреловидности наименьшее. В варианте осуществления по фиг. 3 эта радиальная высота H_min минимального угла стреловидности расположена примерно на 40% от общей радиальной высоты лопасти (угол поворота -3° в этой точке является минимальным углом стреловидности по всему участку лопасти, тянущемуся между 20% и 90%).

Кроме того, в варианте осуществления по фиг. 3 разница δ1 в угле стреловидности составляет, по абсолютной величине, приблизительно 5° (угол стреловидности на H_min: -3°, угол стреловидности на H_min+10: +2°).

Передняя кромка лопасти также может представлять стреловидность вперед (то есть отрицательный угол стреловидности) в нижней части лопасти, лежащей в диапазоне от 15% до 50%. В варианте осуществления по фиг. 3 угол стреловидности передней кромки, таким образом, является отрицательным для радиальных высот, лежащих в диапазоне от 15% до 45%. Более точно угол стреловидности изначально является положительным между минимальной радиальной высотой лопасти (0%) и радиальной высотой около 15%, и затем он становится отрицательным до радиальной высоты 45% и вновь становится положительным с этой точки.

При таких условиях разность (δ2) между углом стреловидности передней кромки, составляющая менее 10°, на уровне радиальной высоты (Н-), соответствующей точке перехода прямой стреловидности, которая соответствует точке передней кромки, в которой стреловидность изменяется на обратную, и которая расположена непосредственно над высотой минимальной стреловидности, и углом стреловидности, измеренным на радиальной высоте (Н+), на 10% (по абсолютной величине) превышает радиальную высоту, соответствующую точке перехода прямой стреловидности.

Термин «радиальная высота Н-, соответствующая точке перехода прямой стреловидности, которая соответствует точке передней кромки, в которой стреловидность изменяется на обратную» используется в материалах настоящей заявки, чтобы обозначать радиальную высоту передней кромки лопасти, на которой угол стреловидности меняется с отрицательного на положительный. В варианте осуществления по фиг. 3 указанная радиальная высота Н - расположена примерно на 45% от общей радиальной высоты лопасти. Кроме того, в варианте осуществления по фиг. 3 разность δ2 угла стреловидности имеет абсолютное значение около 7° (значение угла стреловидности на Н-: 0°; значение угла стреловидности на радиальной высоте Н+, измеренное на 10% выше Н-: +7°). Фиг. 4 изображает проекцию на меридианную плоскость линии центров тяжести секций лопасти согласно изобретению. Эта линия соединяет вместе продольные (вдоль оси Х-Х) значения абсциссы центров тяжести каждой из секций лопасти. В предпочтительном варианте осуществления изобретения, показанном на фиг. 4, разность δX_g вдоль приводной оси Х-Х, ориентированной в направлении воздушного потока, между максимальным продольным значением абсциссы центра тяжести X_g⁺ секций лопасти, расположенных над минимальной продольной точкой абсциссы, и значением в продольном направлении абсциссы центра тяжести X_g^- секции лопасти, соответствующей минимальной продольной точкой абсциссы, меньше или равна (по абсолютной величине) 20% осевой хорды лопасти, измеренной в ее секции хвостовика, которая определена пересечением между лопастью и внутренней стенкой канала.

«Хорда» лопасти используется для обозначения прямой линии, соединяющей точки передней кромки и точки задней кромки. Осевая проекция этой хорды на приводную ось Х-Х является осевой хордой. Значение осевой хорды лопасти, измеренное в ее хвостовике, зависит от размера двигателя. В качестве примера оно может составлять около 300 миллиметров (мм). При таких условиях разность может, например, составлять около 45 мм, что намного меньше 20% осевой хорды лопасти, измеренной в ее хвостовике.

1. Лопасть (4) вентилятора турбореактивного двигателя, содержащая хвостовик (6), концевую часть (20), переднюю кромку (22) и заднюю кромку (24), отличающаяся тем, что:

передняя кромка лопасти имеет угол стреловидности, больший или равный +28° на участке лопасти, который расположен на радиальной высоте, лежащей в диапазоне от 60% до 90% от общей радиальной высоты лопасти, измеренной от ее хвостовика в направлении ее концевой части;

угол стреловидности передней кромки имеет разность (δ1) менее 10° между минимальным углом стреловидности, измеренным на радиальной высоте (H_min) минимального угла стреловидности на участке лопасти, лежащем в диапазоне от 20% до 90% от радиальной высоты лопасти, и углом стреловидности, измеренным на радиальной высоте (H_min+10), которая на 10% больше, чем упомянутая радиальная высота минимального угла стреловидности, причем

угол стреловидности передней кромки является положительным на участке лопасти, который расположен на радиальной высоте, лежащей в диапазоне от 0% до 15% от общей радиальной высоты лопасти.

2. Лопасть по п. 1, отличающаяся тем, что передняя кромка имеет отрицательный угол стреловидности в нижней части лопасти, расположенной в диапазоне от 15% до 50%, причем разность (δ2) между углом стреловидности передней кромки, составляет менее 10°, на уровне радиальной высоты (Н-), соответствующей точке перехода прямой стреловидности, которая соответствует точке передней кромки, в которой стреловидность изменяется на обратную, и которая расположена непосредственно над высотой минимальной стреловидности, и углом стреловидности, измеренным на радиальной высоте (Н+), на 10% превышает радиальную высоту, соответствующую точке перехода прямой стреловидности.

3. Лопасть по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что разность между максимальным значением абсциссы центра тяжести X_g⁺ секций лопасти, расположенных над минимальной точкой абсциссы, и значением абсциссы центра тяжести X_g^- секции лопасти, соответствующей минимальной точке абсциссы, меньше или равна 20% осевой хорды лопасти, измеренной в ее хвостовике, причем ось соответствует оси вращения (Х-Х), ориентированной в направлении воздушного потока.

4. Вентилятор (2) турбореактивного двигателя, отличающийся тем, что он включает в себя множество лопастей (4) по любому из пп. 1-3.

5. Турбореактивный двигатель, отличающийся тем, что он включает в себя множество лопастей по любому из пп. 1-3.