Перо лопатки с переходным участком
Перо направляющей или сопловой лопатки, либо рабочей лопатки лопаточной машины, прежде всего газовой турбины, имеет на своем радиально внутреннем концевом участке и/или на своем радиально внешнем концевом участке, по меньшей мере, одно положительно влияющее на аэрогидродинамические характеристики утолщение своего профиля. Утолщение выполнено срезанным в зоне передней кромки пера лопатки с образованием лицевой поверхности, соответственно базовой поверхности. Утолщение выполнено в зоне передней кромки пера лопатки со срезом, имеющим поверхность в форме кругового или цилиндрического сегмента. Изобретение направлено на создание лопатки, обладающей повышенными аэродинамическими характеристиками. 2 н. и 9 з.п. ф-лы, 8 ил.
Настоящее изобретение относится к перу направляющей или сопловой лопатки, или рабочей лопатки лопаточной машины согласно ограничительной части п.1 формулы изобретения. Изобретение относится также к лопаточной машине согласно ограничительной части п.10 формулы.
В ЕР 0798447 В1 описано перо лопатки для лопаточных машин, прежде всего для газовых турбин, которое проходит в радиальном направлении в кольцевом канале, соответственно в проточной части лопаточной машины и имеет профиль с положительно влияющим на аэрогидродинамические характеристики утолщением по меньшей мере с одной своей стороны, обращенной к одной из ограничивающих кольцевой канал боковых стенок. Согласно указанной публикации ЕР 0798447 В1 это утолщение образовано за счет увеличения радиуса закругления передней кромки лопатки и/или угла раствора передней кромки лопатки, и/или угла раствора задней кромки лопатки, и/или абсолютной толщины примыкающих к соответствующей ограничивающей кольцевой канал боковой стенке сечений профиля по сравнению с сечением исходного профиля. Из сопловых или направляющих лопаток, а также рабочих лопаток с подобным исполнением их перьев можно изготавливать сопловые или направляющие аппараты, соответственно рабочие решетки, геометрия лопаток которых позволяет воздействовать на вторичный поток, сводя к минимуму возникающие на них потери. Однако недостаток лопаток с подобной геометрией их пера заключается в обусловленном наличием утолщения увеличении осевой конструктивной длины пера лопатки, а тем самым в конечном итоге и осевой конструктивной длины всей лопаточной машины.
Из GB 801468 известна лопатка лопаточной машины, у которой утолщение профиля выполнено срезанным в зоне передней кромки пера с образованием плоской лицевой поверхности, соответственно базовой поверхности.
Исходя из вышеизложенного, в основу настоящего изобретения была положена задача разработать перо лопатки, обладающее повышенными аэродинамическими характеристиками.
Указанная задача решается с помощью пера лопатки, заявленного в п.1 формулы изобретения. Согласно изобретению утолщение выполнено в зоне передней кромки пера лопатки со срезом, имеющим поверхность в форме кругового или цилиндрического сегмента.
Согласно настоящему изобретению утолщение или каждое утолщение пера лопатки предлагается выполнять в зоне его передней кромки срезанным с образованием радиально лицевой поверхности, соответственно базовой поверхности. Значительное преимущество, связанное с подобным выполнением утолщения пера лопатки, состоит перед уровнем техники в минимизации обусловленных вторичными потоками потерь без увеличения осевой конструктивной длины пера, а тем самым и лопаточной машины. В этом отношении предлагаемое в настоящем изобретении решение позволяет, с одной стороны, придать компактность конструкции лопаточной машины и одновременно с этим, с другой стороны, минимизировать обусловленные вторичными потоками потери в лопаточной машине.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения утолщение выполнено таким образом, что проведенная к самой передней части которого касательная проходит в окружном направлении лопаточной машины, соответственно поперечно ее осевому направлению.
Утолщение или каждое утолщение предпочтительно выполнять с большим радиусом закругления на радиально внутреннем и/или на радиально внешнем концевом участке пера лопатки при отношении этого радиуса закругления к длине хорды пера лопатки в пределах от 2 до 10%.
Предлагаемая в изобретении лопаточная машина заявлена в независимом п.10 формулы изобретения.
Предпочтительные варианты осуществления изобретения представлены в зависимых пунктах формулы изобретения и последующем описании.
Ниже изобретение рассмотрено на примере некоторых, не ограничивающих его объем вариантов его осуществления со ссылкой на прилагаемые к описанию чертежи, на которых показано:
на фиг.1 - предельно упрощенный вид в аксонометрии и сбоку известного из уровня техники пера лопатки,
на фиг.2 - вид показанного на фиг.1 пера лопатки по стрелке II,
на фиг.3 - аналогичный показанному на фиг.2 вид известного из уровня техники пера лопатки,
на фиг.4 - вид показанного на фиг.3 пера лопатки в сечении плоскостью III-III.
на фиг.5 - предельно упрощенный вид в аксонометрии и сбоку предлагаемого в изобретении пера лопатки,
на фиг.6 - вид показанного на фиг.5 пера лопатки по стрелке VI,
на фиг.7 - аналогичный показанному на фиг.6 вид предлагаемого в изобретении пера лопатки, выполненного по второму варианту,
на фиг.8 - аналогичный показанному на фиг.6 и 7 вид предлагаемого в изобретении пера лопатки, выполненного по третьему варианту.
Перед более подробным описанием настоящего изобретения со ссылкой на фиг.5-8 сначала со ссылкой на фиг.1-4 следует рассмотреть некоторые известные из уровня техники решения.
На фиг.1 в предельно упрощенном виде показан фрагмент известного из уровня техники пера 10 рабочей лопатки, имеющего согласно фиг.1 на своем радиально внутреннем, обращенном к ступице концевом участке профиль с положительно влияющим на аэрогидродинамические характеристики утолщением 11. Согласно фиг.2 такое утолщение 11 профиля пера 10 лопатки предусмотрено со всех ее сторон по всему ее периметру, т.е. и со стороны выпуклой поверхности, и со стороны вогнутой поверхности пера 10 лопатки между его передней 12 и задней 13 кромками. К параметрам, характеризующим перо 10 лопатки, соответственно его профиль, относятся согласно фиг.3 длина 1 хорды пера лопатки, определяемая как расстояние между его передней 12 и задней 13 кромками, а также максимальная толщина dmax профиля пера лопатки.
Согласно фиг.1-4 утолщение 11 на обращенном к ступице конце пера 10 рабочей лопатки, которая более подробно на чертеже не показана, образовано за счет увеличения абсолютной толщины d сечения профиля пера 10 лопатки на его обращенном к ступице концевом участке по сравнению с толщиной сечения его исходного профиля и имеет контур, который согласно фиг.4 характеризуется радиусом r закругления. Наличие такого утолщения 11 позволяет минимизировать потери, обусловленные вторичными потоками.
Следует отметить, что показанное на фиг.1-4 утолщение 11 представляет собой лишь один из возможных вариантов выполнения минимизирующих вторичные потоки утолщений. В других вариантах минимизирующие вторичные потоки утолщения могут быть образованы за счет увеличения таких параметров профиля пера лопатки, как радиус закругления передней кромки лопатки и/или угол раствора передней кромки лопатки, и/или угол раствора задней кромки лопатки, и/или абсолютная толщина профиля лопатки. Более подробную информацию о подобных утолщениях можно найти в публикации ЕР 0798447 В1, которая включена в настоящее описание в качестве ссылки.
Необходимо также отметить, что у вращающихся вместе с ротором рабочих лопаток их перья могут иметь подобные утолщения 11 только на своем радиально внутреннем, обращенном к ступице конце. Неподвижные же направляющие или сопловые лопатки обычно имеют по подобному утолщению 11 и на своем радиально внутреннем, обращенном к ступице конце, и на своем радиально внешнем, обращенном к корпусу конце.
Согласно настоящему изобретению утолщение 11 предлагается выполнять срезанным в зоне передней кромки 12 пера 10 лопатки с образованием радиально лицевой поверхности 14, соответственно базовой поверхности.
Подобная поверхность показана, в частности, на фиг.5. В показанном на фиг.5 и 6 варианте утолщение 11 выполнено в зоне передней кромки 12 со срезом, имеющим прямолинейную, соответственно плоскую поверхность, которая ориентирована в окружном направлении (стрелка 15) лопаточной машины. Как показано на фиг.6, образующаяся при этом плоская лицевая поверхность 14 проходит в этом случае параллельно окружному направлению 15. Иными словами, в этом случае плоскость среза, образующего плоскую лицевую поверхность 14, ориентирована поперечно, соответственно перпендикулярно осевому направлению (стрелка 16) лопаточной машины.
В показанном на фиг.5 и 6 варианте утолщение 11 аналогично показанному на фиг.1-4 варианту предусмотрено по кругу со всех сторон пера лопатки по всему ее периметру и характеризуется большим радиусом r закругления на радиально внутреннем, соответственно на радиально внешнем концевом участке пера лопатки, величина которого (радиуса закругления) подобрана согласно настоящему изобретению таким образом, что отношение этого радиуса r закругления к длине 1 хорды пера 10 лопатки составляет от 2 до 10%, предпочтительно от 4 до 8%, особенно предпочтительно от 5 до 7%. В наиболее предпочтительном варианте отношение радиуса r закругления к длине 1 хорды составляет 6%.
Использование утолщения с большим радиусом r закругления в сочетании со срезом этого утолщения в зоне передней кромки 12 пера лопатки с образованием лицевой поверхности 14 позволяет минимизировать потери, обусловленные вторичными потоками, без увеличения осевой конструктивной длины пера лопатки, соответственно самой лопатки, соответственно лопаточной машины.
На фиг.7 показано выполненное по другому варианту предлагаемое в изобретении перо 10 лопатки, которое и в показанном на фиг.7 варианте имеет на радиально внутреннем, обращенном к ступице концевом участке и/или на радиально внешнем, обращенном к корпусу концевом участке утолщение 11, которое также выполнено в зоне передней кромки 12 пера лопатки срезанным с образованием радиально лицевой поверхности 17. В отличие от показанного на фиг.5 и 6 варианта в показанном на фиг.7 варианте утолщение 11 выполнено в зоне передней кромки 12 не с плоским срезом, а со срезом, поверхность которого имеет форму кругового или цилиндрического сегмента. При этом касательная 18, проведенная к самой передней части имеющего поверхность в форме кругового или цилиндрического сегмента среза утолщения 11, соответственно к самой передней части образованной этим срезом лицевой поверхности 17, должна проходить параллельно окружному направлению (стрелка 15), а также поперечно, соответственно перпендикулярно осевому направлению (стрелка 16) лопаточной машины.
Общим для показанного на фиг.7 варианта и показанного на фиг.5 и 6 варианта является то, что радиус r закругления утолщения 11 постоянен по всему профилю пера 10 лопатки. В отличие от этих вариантов на фиг.8 показано выполненное согласно изобретению перо 10 лопатки с переменным радиусом r закругления утолщения, который уменьшается от передней кромки 12 пера лопатки в направлении его задней кромки 13. Как показано на фиг.8, передняя кромка 12 пера 10 лопатки также выполнена срезанной с образованием лицевой поверхности 17, соответственно базовой поверхности, которая и в показанном на фиг.8 варианте аналогично показанному на фиг.7 варианту имеет форму кругового или цилиндрического сегмента. Выполнение утолщения 11 с переменным радиусом r закругления позволяет дополнительно минимизировать потери, обусловленные вторичными потоками.
Предлагаемые в изобретении перья лопаток предпочтительно использовать в качестве перьев сопловых или рабочих лопаток турбины либо направляющих, или рабочих лопаток компрессора газовой турбины, прежде всего авиационного газотурбинного двигателя. Как указано выше, перья вращающихся рабочих лопаток имеют выполненные согласно изобретению утолщения лишь на своем радиально внутреннем, обращенном к ступице конце, а неподвижные направляющие или сопловые лопатки могут иметь по подобному утолщению и на своем радиально внутреннем, обращенном к ступице, конце, и на своем радиально внешнем, обращенном к корпусу, конце. Согласно изобретению такие утолщения выполнены срезанными в зоне передней кромки пера лопатки с образованием радиально лицевой поверхности, соответственно базовой поверхности. Помимо этого согласно изобретению утолщения выполняют с большим радиусом закругления. Благодаря этому, с одной стороны, удается минимизировать обусловленные вторичными потоками потери, а с другой стороны, избежать увеличения осевой конструктивной ширины, соответственно, длины, оснащенной подобными перьями лопаток, соответственно, лопатками лопаточной машины.
1. Перо направляющей или сопловой лопатки либо рабочей лопатки лопаточной машины прежде всего газовой турбины, имеющее на своем радиально внутреннем концевом участке и/или на своем радиально внешнем концевом участке по меньшей мере одно положительно влияющее на аэрогидродинамические характеристики утолщение (11) своего профиля, которое выполнено срезанным в зоне передней кромки (12) пера лопатки с образованием лицевой поверхности (17), соответственно базовой поверхности, отличающееся тем, что утолщение (11) выполнено в зоне передней кромки (12) пера лопатки со срезом, имеющим поверхность в форме кругового или цилиндрического сегмента.
2. Перо лопатки по п.1, отличающееся тем, что утолщение (11) срезано таким образом, что касательная (18), проведенная к самой передней части среза утолщения (11), проходит в окружном направлении лопаточной машины, соответственно поперечно ее осевому направлению.
3. Перо лопатки по п.1, отличающееся тем, что оно выполнено в виде пера направляющей или сопловой лопатки и имеет на своем радиально внутреннем, обращенном к ступице концевом участке и на своем радиально внешнем, обращенном к корпусу концевом участке по выполненному со срезом утолщению.
4. Перо лопатки по п.1, отличающееся тем, что оно выполнено в виде пера рабочей лопатки и имеет на своем радиально внутреннем, обращенном к ступице концевом участке, выполненное со срезом утолщение.
5. Перо лопатки по одному из пп.1-4, отличающееся тем, что утолщение или каждое утолщение (11) выполнено с большим радиусом (r) закругления на радиально внутреннем и/или на радиально внешнем концевом участке пера лопатки при отношении этого радиуса (r) закругления утолщения к длине (1) хорды пера лопатки в пределах от 2 до 10%.
6. Перо лопатки по п.5, отличающееся тем, что отношение радиуса (г) закругления утолщения к длине (1) хорды пера лопатки составляет от 4 до 8%.
7. Перо лопатки по п.6, отличающееся тем, что отношение радиуса (г) закругления утолщения к длине (1) хорды пера лопатки составляет от 5 до 7%.
8. Перо лопатки по п.5, отличающееся тем, что утолщение выполнено с переменным радиусом (г) закругления, уменьшающимся от передней кромки (12) профиля пера лопатки в направлении его задней кромки (13).
9. Перо лопатки по одному из пп.1-4, отличающееся тем, что утолщение или каждое утолщение образовано за счет увеличения таких параметров профиля пера лопатки, как радиус закругления передней кромки лопатки и/или угол раствора передней кромки лопатки, и/или угол раствора задней кромки лопатки, и/или абсолютная толщина профиля лопатки, относительно контура сечения исходного профиля.
10. Лопаточная машина, прежде всего газовая турбина, имеющая по меньшей мере один направляющий или сопловый аппарат из нескольких направляющих, соответственно сопловых лопаток и по меньшей мере одну рабочую решетку из нескольких рабочих лопаток, при этом направляющие, соответственно сопловые лопатки и рабочие лопатки имеют проходящие в радиальном направлении проточной части перья (10), которые на своем радиально внутреннем концевом участке и/или на своем радиально внешнем концевом участке имеют положительно влияющее на аэрогидродинамические характеристики утолщение (11) профиля своего пера, которое выполнено срезанным в зоне передней кромки (12) пера лопатки с образованием лицевой поверхности (17), соответственно базовой поверхности, отличающийся тем, что утолщение (11) выполнено в зоне передней кромки (12) пера лопатки со срезом, имеющим поверхность в форме кругового или цилиндрического сегмента.
11. Лопаточная машина по п.10, отличающаяся тем, что по меньшей мере одно утолщение выполнено по одному из пп.2-9.
