Лопатка турбомашины, в частности для выполненного как единое целое моноколеса

Изобретение относится к энергетике. Лопатка турбомашины, содержащая перо лопатки, вытянутое в осевом направлении между передней кромкой и задней кромкой, а в радиальном направлении - между хвостовиком и вершиной. Передняя кромка пера лопатки имеет угол стреловидности, который является положительным и непрерывно увеличивающимся от хвостовика до первой радиальной высоты пера лопатки, находящейся между 20% и 40% общей радиальной высоты пера лопатки, измеренной от хвостовика к вершине, и непрерывно уменьшающимся от данной первой радиальной высоты пера лопатки до вершины. Также представлены турбомашина и моноколесо турбомашины, выполненное как единое целое. Изобретение позволяет оптимально контролировать потоки вторичного воздуха, а также позволяет учитывать попадания в струю, которая называется направленной сверху вниз. 3 н. и 7 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к области выполненных как единое целое моноколес турбомашины и направлено, в более широком смысле, на профиль лопаток, которые входят в состав таких колес.

Выполненное как единое целое моноколесо турбомашины (также называемое в английском языке DAM или «blisk» - монолитный диск с лопатками) обозначает ротор, в котором лопатки и диск, на котором они располагаются, осуществлены непосредственно в одной однородной металлической заготовке таким образом, что образуется один и тот же конструктивный элемент. Такие диски, как правило, используются для создания ступеней компрессора турбомашины, в частности компрессора высокого давления авиационного турбореактивного двигателя двухконтурного и двухроторного типа.

Конструктивное исполнение лопаток DAM должно удовлетворять одновременно требованиям согласно аэродинамическим характеристикам и механической стойкости в особых условиях эксплуатации. Вместе с тем, когда эти лопатки имеют относительно небольшую радиальную высоту пера лопатки, возникают аэродинамические явления, называемые потоками вторичного воздуха большой амплитуды. Эти потоки вторичного воздуха приводят к снижению аэродинамических характеристик лопатки. Поведение аэродинамических потоков также становится сложным ввиду наличия истекающей струи, называемой направленной сверху вниз, т.е. струи, наклоненной к оси вращения турбореактивного двигателя.

Раскрытие изобретения

Задачей изобретения является разработка лопатки DAM, профиль пера лопатки которой позволяет оптимально контролировать потоки вторичного воздуха и учитывать попадания в струю, называемую направленной сверху вниз.

В связи с этим предусмотрена лопатка турбомашины, которая содержит перо лопатки, вытянутое в осевом направлении между передней кромкой и задней кромкой, а в радиальном направлении между хвостовиком и вершиной, и в которой, согласно изобретению, передняя кромка пера лопатки имеет угол стреловидности, который является положительным и непрерывно увеличивающимся от хвостовика до первой радиальной высоты пера лопатки, находящейся между 20% и 40% общей радиальной высоты пера лопатки, измеренной от хвостовика к вершине, и непрерывно уменьшающимся от данной первой радиальной высоты пера лопатки до вершины.

Такой профиль пера лопатки позволяет, в частности, добиться распределения расхода газовой среды, которая создает благоприятные условия для зоны пера лопатки, находящейся близко от хвостовика, по сравнению с зоной посередине струи. Кроме того, расход оказывается затянутым в верхней части струи. Результатом этого является оптимизация распределения расхода газовой среды по всей высоте струи, что улучшает аэродинамическое качество лопатки и используется при контроле потоков вторичного воздуха.

Предпочтительно угол стреловидности передней кромки пера лопатки становится отрицательным, начиная от второй радиальной высоты пера лопатки, находящейся между 60% и 80% общей радиальной высоты пера лопатки.

Также предпочтительно угол стреловидности передней кромки пера лопатки меньше -45° в вершине пера лопатки.

Согласно предпочтительной конструкции передняя кромка пера лопатки представляет собой двугранный угол, который, как правило, увеличивается от хвостовика до вершины. Данный двугранный угол передней кромки пера лопатки может находиться в пределах между минимальным значением на уровне хвостовика, составляющим от -25° до -5°, и максимальным значением на уровне вершины, составляющим от +5° до +25°. Предпочтительно он составляет от -15° на уровне хвостовика до +15° на уровне вершины.

Кроме того, двугранный угол передней кромки пера лопатки предпочтительно является отрицательным между хвостовиком и первой радиальной высотой пера лопатки и положительным между третьей радиальной высотой пера лопатки, находящейся между 40% и 60% общей радиальной высоты лопатки, и вершиной. Наличие такого двугранного угла позволяет обеспечить защиту по нисходящей нижней части пера лопатки (речь идет о закрытии передней кромки), соединенной с зоной с приемлемым статическим напряжением.

Третья радиальная высота пера лопатки предпочтительно находится на уровне 50% общей радиальной высоты пера лопатки. Таким образом, воздействия лопаток на газовую среду (и наоборот) оптимально ориентированы для обеспечения приемлемого статического напряжения в пере лопатки и равномерного распределения аэродинамического качества.

Первая радиальная высота пера лопатки предпочтительно расположена на уровне 30% общей радиальной высоты пера лопатки.

Задачей изобретения является также выполненное как единое целое моноколесо турбомашины, содержащее множество лопаток, которые были определены ранее. Задачей изобретения также является турбомашина, содержащая, по меньшей мере, одно такое выполненное как единое целое моноколесо.

Краткое описание фигур

Другие отличительные особенности и преимущества настоящего изобретения станут очевидны из описания, приводимого ниже, со ссылкой на прилагаемые фигуры, на которых представлен пример практического осуществления, неограничительного характера в том числе:

- фиг. 1 представляет собой частичный вид в изометрии выполненного как единое целое моноколеса с лопатками согласно изобретению;

- фиг. 2 изображает репрезентативную кривую угла стреловидности передней кромки пера лопатки согласно изобретению;

- фиг. 3 изображает репрезентативную кривую двугранного угла передней кромки пера лопатки согласно изобретению.

Подробное описание изобретения

Изобретение применяется к любой лопатке турбомашины.

Оно относится точнее, но не исключительно, к лопаткам выполненного как единое целое моноколеса турбомашины, такого как диски 10 задних ступеней компрессора высокого давления турбореактивного двигателя, как это изображено на фиг. 1. Лопатки 20 такого диска имеют небольшую радиальную высоту пера лопатки, например, порядка 25 мм, и расположены в истекающей струе, именуемой направленной сверху вниз, т.е. наклоненной к оси вращения турбореактивного двигателя.

Как известно, каждая лопатка 20 содержит перо лопатки 22, которое вытянуто в осевом направлении (т.е. согласно продольной оси X-X турбореактивного двигателя) между передней кромкой 24 и задней кромкой 26, а в радиальном направлении (т.е. согласно радиальной оси Z-Z, перпендикулярной продольной оси X-X) - между хвостовиком 28 и вершиной 30.

Согласно изобретению передняя кромка 24 пера лопатки имеет угол стреловидности, который является положительным и непрерывно увеличивающимся от хвостовика 28 до первой радиальной высоты пера лопатки h₁, находящейся между 20% и 40% общей радиальной высоты пера лопатки, измеренной от хвостовика к вершине, и непрерывно уменьшающимся от этой первой радиальной высоты h₁ пера лопатки до вершины 30.

По определению, минимальная радиальная высота пера лопатки, равная 0%, соответствует точке пересечения передней кромки пера лопатки с моноколесом, определяя внутри границы истекающей струи потока воздуха, проходящего через ступень компрессора. Аналогично максимальная радиальная высота пера лопатки, равная 100%, соответствует точке линии передней кромки, занимающей наивысшее положение в радиальном направлении.

Кроме того, под углом стреловидности (англ. «sweep angle» - угол стреловидности) понимается острый угол, образованный, в некоторой точке передней кромки лопатки, между касательной к передней кромке и линией, перпендикулярной вектору относительной скорости. Когда угол стреловидности является положительным, то говорят, что передняя кромка имеет изгиб назад (прямая стреловидность), в то время как отрицательный угол стреловидности указывает на то, что передняя кромка имеет изгиб вперед (обратная стреловидность).

Более точное определение угла стреловидности приведено, в частности, в публикации «Sweep and Dihedral Effects in Axial-Flow Turbomachinery» авторов Leroy H.Smith и Hsuan Yeh (напечатана в Journal of Basic Engineering, сентябрь 1963 г., стр. 401).

Угол стреловидности передней кромки пера лопатки согласно изобретению изображен кривой 100 на фиг. 2. Как это показывает кривая 100, угол стреловидности является положительным (изгиб назад) и непрерывно увеличивающимся от хвостовика (соответствующего высоте пера лопатки, равной 0%) до первой радиальной высоты пера лопатки h₁, находящейся между 20% и 40%, предпочтительно равной 30% общей радиальной высоты пера лопатки, измеренной от хвостовика к вершине. Угол стреловидности также непрерывно уменьшается от данной первой радиальной высоты пера лопатки h₁ до вершины (соответствующей высоте пера лопатки, равной 100%).

Под термином «непрерывно» в данном случае понимается, что увеличение (соответственно, уменьшение) угла стреловидности не прерывалось между двумя радиальными высотами пера лопатки, которые ограничивают эти участки передней кромки. В частности, эти участки передней кромки не содержат никакого увеличения (соответственно, уменьшения) угла стреловидности.

Предпочтительно угол стреловидности передней кромки пера лопатки становится отрицательным, начиная со второй радиальной высоты пера лопатки h₂, находящейся между 60% и 80% общей радиальной высоты пера лопатки (в примере, представленном на фиг. 2, h₂=60%).

Также предпочтительно угол стреловидности передней кромки пера лопатки меньше -45° в вершине пера лопатки (в примере, представленном на фиг. 2, он составляет приблизительно -49° на радиальной высоте пера лопатки, равной 100%, которая соответствует вершине пера лопатки).

Такая закономерность угла стреловидности для передней кромки пера лопатки с их особенностями, описание которых было приведено выше, имеет отношение в основном к распределению расхода газовой среды по всей высоте струи и к аэродинамической устойчивости в проеме радиального зазора в вершине лопатки (который имеет склонность увеличиваться по мере старения двигателя).

Кроме того, лопатка может иметь дополнительные предпочтительные отличительные особенности, которые предоставляют закономерности двугранного угла передней кромки ее пера лопатки.

Под термином двугранный угол передней кромки (англ. - «dihedral angle» - угол между двумя аэродинамическими поверхностями) понимается угол, образованный в некоторой точке передней кромки лопатки, между касательной к передней кромке и плоскостью, включающей в себя ось вращения лопатки. Отрицательный двугранный угол указывает на то, что касательная к точке передней кромки лопатки ориентирована в направлении вращения лопатки. Положительный двугранный угол, наоборот, указывает на то, что касательная к точке передней кромки лопатки ориентирована в направлении, противоположном направлению вращения лопатки. Более точное определение двугранного угла также приведено в вышеупомянутой публикации авторов Leroy H. Smith и Hsuan Yeh.

Двугранный угол передней кромки пера лопатки согласно изобретению показан кривой 200 на фиг. 3. Согласно данной кривой 200 этот двугранный угол, как правило, увеличивается от хвостовика до вершины. Согласно примеру, представленному на фиг. 3, он колеблется, таким образом, от значения -15° в хвостовике (соответствует радиальной высоте пера лопатки, равной 0%) до значения +13° в вершине (соответствует радиальной высоте пера лопатки, равной 100%).

В отличие от «непрерывного» увеличения двугранный угол, «как правило» увеличивающийся, в ряде случаев на некоторых участках передней кромки (между хвостовиком и вершиной пера лопатки) может быть уменьшен.

Предпочтительно двугранный угол передней кромки пера лопатки находится в пределах между минимальным значением V_min на уровне хвостовика, которое составляет от -25° до -5°, и максимальным значением на уровне вершины, которое составляет от +5° до +25°. Предпочтительно двугранный угол передней кромки пера лопатки составляет от -15° на уровне хвостовика до +15° на уровне вершины.

Кроме того, двугранный угол передней кромки пера лопатки является предпочтительно отрицательным между хвостовиком и первой радиальной высотой пера лопатки h₁, находящейся между 20% и 40%, предпочтительно равной 30% общей радиальной высоты пера лопатки. Аналогично он является предпочтительно положительным между третьей радиальной высотой пера лопатки h₃, находящейся между 40% и 60%, предпочтительно равной 50% общей радиальной высоты пера лопатки, и вершиной пера лопатки.

1. Лопатка (20) турбомашины, содержащая перо лопатки (22), вытянутое в осевом направлении между передней кромкой (24) и задней кромкой (26), а в радиальном направлении между хвостовиком (28) и вершиной (30), отличающаяся тем, что передняя кромка пера лопатки имеет угол стреловидности, который является положительным и непрерывно увеличивающимся от хвостовика до первой радиальной высоты пера лопатки (h1), находящейся между 20% и 40% общей радиальной высоты пера лопатки, измеренной от хвостовика к вершине, и непрерывно уменьшающимся от данной первой радиальной высоты пера лопатки до вершины, причём угол стреловидности передней кромки пера лопатки становится отрицательным, начиная от второй радиальной высоты пера лопатки (h2), находящейся между 60% и 80% общей радиальной высоты пера лопатки.

2. Лопатка по п. 1, отличающаяся тем, что угол стреловидности передней кромки пера лопатки меньше -45° в вершине пера лопатки.

3. Лопатка по п. 2, отличающаяся тем, что передняя кромка пера лопатки имеет двугранный угол, который увеличивается от хвостовика до вершины.

4. Лопатка по п. 3, отличающаяся тем, что двугранный угол передней кромки пера лопатки находится в пределах между минимальным значением (Vmin) на уровне хвостовика, составляющим от -25° до -5°, и максимальным значением (Vmax) на уровне вершины, составляющим от +5° до +25°.

5. Лопатка по п. 4, отличающаяся тем, что двугранный угол передней кромки пера лопатки составляет от -15° на уровне хвостовика до +15° на уровне вершины.

6. Лопатка по любому из пп. 3-5, отличающаяся тем, что двугранный угол передней кромки пера лопатки является отрицательным между хвостовиком и первой радиальной высотой пера лопатки и положительным между третьей радиальной высотой пера лопатки (h3), находящейся между 40% и 60% общей радиальной высоты пера лопатки, и вершиной.

7. Лопатка по п. 6, отличающаяся тем, что третья радиальная высота пера лопатки находится на уровне 50% общей радиальной высоты пера лопатки.

8. Лопатка по п. 1, отличающаяся тем, что первая радиальная высота пера лопатки находится на уровне 30% общей радиальной высоты пера лопатки.

9. Выполненное как единое целое моноколесо турбомашины, отличающееся тем, что оно содержит множество лопаток по п. 1.

10. Турбомашина, отличающаяся тем, что она содержит, по меньшей мере, одно выполненное как единое целое моноколесо по п. 9.