Рабочая лопатка турбомашины

Полезная модель относится к области газотурбинного двигателестроения и может быть использована в турбомашинах авиационных двигателей.

Техническим результатом, на достижение которого направлена полезная модель, является устранение вышеуказанных недостатков, а именно: повышение прочности рабочей лопатки за счёт плавных сопряжений образующей входной кромки между областями и монотонным увеличением её угла наклона, что исключает образование вихрей в периферийной области, повышает КПД рабочего колеса и улучшает технологичность изготовления

Заявляемый технический результат достигается тем, что у рабочей лопатки турбомашины газотурбинного двигателя, перо имеет входную кромку с углом наклона её образующей к радиальной оси, изменяющимся по высоте лопатки от её втулочного сечения до периферийного. Входная кромка имеет три области: привтулочную, среднюю и периферийную. В средней и периферийной областях образующая наклонена по потоку. Привтулочная область содержит два участка, на одном из которых входная кромка наклонена по потоку, а на другом - против потока.

Новым в полезной модели является то, что в привтулочной области против потока образующая наклонена на участке, прилегающем к втулочному сечению, а по потоку - на участке, прилегающем к средней области входной кромки, при этом сопряжения всех областей входной кромки выполнены плавными и угол наклона образующей по потоку изменяется по высоте лопатки монотонно.

В оптимальном варианте выполнения лопатки граница между средней и привтулочной областями лежит на высоте 0,4-0,75 от общей высоты лопатки, а граница между участками привтулочной области лежит на высоте не более 0,5 от общей высоты привтулочной области. Величина угла наклонаобразующей по потоку не более 15 , а угол наклона образующей против потока в привтулочной области не более 10°.

Полезная модель относится к области газотурбинного двигателестроения и может быть использована в турбомашинах авиационных двигателей.

Известна рабочая лопатка турбомашины газотурбинного двигателя (ГТД) (патент US 6071077, МПК F04D 29/34, опубл. 2000.06.06), перо которой имеет входную кромку с углом наклона образующей к радиальной оси, изменяющимся по высоте лопатки от ее втулочного сечения до периферийного. Входная кромка разделена на три области: привтулочную, среднюю и периферийную. В привтулочной области образующая входной кромки наклонена против потока, а в средней и периферийной областях - по потоку. Угол наклона образующей входной кромки в периферийной области составляет 20°-50°, в средней от 5° до 20° а в привтулочной от 5° до 15°. Граница между привтулочной областью и средней расположена на высоте 0,4-0,75 общей высоты лопатки.

При такой форме входной кромки рабочая лопатка имеет неблагоприятный характер колебаний и пониженную степень аэродинамического демпфирования. Это влечет за собой возникновение областей лопатки с высоким уровнем динамических напряжений, для снижения уровня которых необходимо уменьшать величину окружной скорости вращения рабочих лопаток с одновременным обеспечением высокой степени повышения полного давления, что приводит к увеличению изгиба лопаток и увеличению доли кручения при колебаниях, что снижает запасы устойчивости к флаттеру. Увеличение аэродинамической нагруженности рабочего колеса снижает прочность лопаток. Кроме того, изготовление такой лопатки представляет значительные трудности из-за резких изменений направления и углов наклона образующей входной кромки, особенно в периферийной области.

Также известна рабочая лопатка турбомашины газотурбинного двигателя, перо которой имеет входную кромку с углом наклона ее образующей к радиальной оси, изменяющимся по высоте лопатки от ее втулочного сечения до периферийного. Входная кромка имеет три области: привтулочную, среднюю и периферийную, граница между средней и привтулочной областями лежит на высоте 0,4-0,75 от общей высоты лопатки. В средней и периферийной областях образующая наклонена по потоку: в средней области угол наклона составляет до 20°, в периферийной - до 50°. Привтулочная область содержит два участка, на участке, прилегающем к средней области образующая наклонена против потока, а на участке, прилегающем к втулочному сечению - по потоку на 20° (Патент РФ 2381388, МПК F04D 29/38, заявл. 07.07.2008 г., опубл. 10.02.2010 г.)

Эта лопатка лишена некоторых недостатков предыдущей. Такая форма входной кромки способствует изменению характера колебаний рабочих лопаток, что приводит к некоторому снижению уровня динамических напряжений в них и увеличению аэродинамического демпфирования, что улучшает прочностные характеристики лопатки и повышает запасы устойчивости к флаттеру.

Однако, такая криволинейная кромка, как и у предыдущей лопатки, является инициатором образования вихря, особенно в периферийной зоне, где наклон составляет 50°, что вызывает значительные потери коэффициента полезного действия (КПД) рабочего колеса турбомашины. Кроме того, прочность такой лопатки снижена из-за концентрации напряжений в местах перегиба, где происходит резкое изменение направлений и углов наклона образующей входной кромки, особенно в периферийной области. По этой же причине технологичность изготовления такой лопатки низкая.

Техническим результатом, на достижение которого направлена полезная модель, является устранение вышеуказанных недостатков, а именно: повышение прочности рабочей лопатки за счет плавных сопряжений образующей входной кромки между областями и монотонным увеличением ее угла наклона, что исключает образование вихрей в периферийной области, повышает КПД рабочего колеса и улучшает технологичность изготовления

Заявляемый технический результат достигается тем, что у рабочей лопатки турбомашины газотурбинного двигателя, перо имеет входную кромку с углом наклона ее образующей к радиальной оси, изменяющимся по высоте лопатки от ее втулочного сечения до периферийного. Входная кромка имеет три области: привтулочную, среднюю и периферийную. В средней и периферийной областях образующая наклонена по потоку. Привтулочная область содержит два участка, на одном из которых входная кромка наклонена по потоку, а на другом - против потока.

Новым в полезной модели является то, что в привтулочной области против потока образующая наклонена на участке, прилегающем к втулочному сечению, а по потоку - на участке, прилегающем к средней области входной кромки, при этом сопряжения всех областей входной кромки выполнены плавными и угол наклона образующей по потоку изменяется по высоте лопатки монотонно.

В оптимальном варианте выполнения лопатки граница между средней и привтулочной областями лежит на высоте 0,4-0,75 от общей высоты лопатки, а граница между участками привтулочной области лежит на высоте не более 0,5 от общей высоты привтулочной области. Величина угла наклона образующей по потоку не более 15°, а угол наклона образующей против потока в привтулочной области не более 10°.

На прилагаемом чертеже изображена заявляемая рабочая лопатка турбомашины.

Рабочая лопатка турбомашины (компрессора, турбины или вентилятора) содержит перо 1, имеющее входную кромку с углом наклона ее образующей 2 к радиальной оси 3 лопатки, изменяющимся по высоте лопатки от ее втулочного сечения 4 до периферийного 5. Входная кромка имеет три области: периферийную 6, среднюю 7, и привтулочную, состоящую из участка 8, прилегающего к средней области 7, и участка 9, прилегающего к втулочному сечению 4 лопатки.

В периферийной области 6 образующая наклонена по потоку под углом к радиальной оси 3, в средней области 7 - под углом . В привтулочной области образующая 2 на участке 8 наклонена по потоку под углом , а на участке 9 - против потока под углом к радиальной оси 3.

Углы , ,, наклона образующей 2 по потоку монотонно изменяются от 0° до максимального значения (оптимально 15°) в периферийной области 6. Сопряжения образующей 2 во всех областях выполнены плавными.

Угол наклона образующей 2 против потока на участке 9 привтулочной области не более 10°.

Граница между средней 7 и участком 8 привтулочной области лежит на высоте 0,4-0,75 от общей высоты лопатки, а граница между участками 8 и 9 привтулочной области лежит на высоте не более 0,5 от общей высоты привтулочной области.

При работе осевой турбомашины под воздействием вынужденных колебаний вибронапряжения в рабочих лопатках могут достигать критической величины, что приводит к их разрушению. Использование в лопатке входной кромки с плавным переходом наклона образующей 2 против потока на участке 9 привтулочной области в наклон образующей 2 на участке 8 по потоку и дальнейшим монотонным увеличением наклона образующей 2 по потоку в областях 6 и 7, исключает наличие концентраторов напряжений, снижающих прочность лопатки, а также повышает технологичность ее изготовления.

Благодаря тому, что направление наклона образующей 2 входной кромки изменяется только один раз от наклона против потока на участке 9 привтулочной области на направление наклона по потоку на остальной части лопатки, происходит благоприятное распределение скоростей в межлопаточных каналах рабочего колеса и аэродинамические характеристики улучшаются.

Отсутствие резкого изменения угла в периферийной области 6 исключает образование вихрей, что повышает КПД рабочего колеса.

Данная форма входной кромки лопатки получена в процессе проектирования и достижение технического результата подтверждено в процессе изготовления и испытаний.

1. Рабочая лопатка турбомашины газотурбинного двигателя, перо которой имеет входную кромку с углом наклона ее образующей к радиальной оси лопатки, изменяющимся по высоте лопатки от ее втулочного сечения до периферийного, входная кромка имеет три области: привтулочную, среднюю и периферийную, в средней и периферийной областях образующая наклонена по потоку, при этом привтулочная область содержит два участка, на одном из которых входная кромка наклонена по потоку, а на другом - против потока, отличающаяся тем, что в привтулочной области против потока образующая наклонена на участке, прилегающем к втулочному сечению, а по потоку - на участке, прилегающем к средней области входной кромки, при этом сопряжения образующей всех областей входной кромки выполнены плавными и угол наклона образующей по потоку изменяется по высоте лопатки монотонно.

2. Рабочая лопатка по п.1, отличающаяся тем, что граница между средней и привтулочной областями лежит на высоте 0,4-0,75 от общей высоты лопатки.

3. Рабочая лопатка по п.1 или 2, отличающаяся тем, что граница между участками привтулочной области лежит на высоте не более 0,5 от общей высоты привтулочной области.

4. Рабочая лопатка по п.1 или 2, отличающаяся тем, что величина угла наклона образующей по потоку не более 15°.

5. Рабочая лопатка по п.3, отличающаяся тем, что величина угла наклона образующей по потоку не более 15°.

6. Рабочая лопатка по п.1 или 2, отличающаяся тем, что угол наклона образующей против потока в привтулочной области не более 10°.

7. Рабочая лопатка по п.3, отличающаяся тем, что угол наклона образующей против потока в привтулочной области не более 10°.

8. Рабочая лопатка по п.4, отличающаяся тем, что угол наклона образующей против потока в привтулочной области не более 10°.