Перо лопатки компрессора
Заявлено перо (70) лопатки компрессора для турбинного двигателя. Перо (70) лопатки компрессора содержит участок (100) вершины, содержащий стенку (106) вершины, которая продолжается от входной кромки (76) пера лопатки до выходной кромки (78) пера лопатки. Стенка (106) вершины образует углубление (110), которое продолжается между входной кромкой (76) и выходной кромкой (78). На одной из стенки (88) поверхности спинки или стенки (90) поверхности корыта обеспечено плечо (104, 105), которое продолжается между входной кромкой (76) и выходной кромкой (78). Переходная область (108) сужается от плеча (104) в направлении к стенке (106) вершины. Другая из стенки (88) поверхности спинки или стенки (90) поверхность корыта продолжается по направлению к стенке (106) вершины. Обеспечена лопатка ротора и/или лопасть статора для компрессора для турбинного двигателя, выполненная с возможностью уменьшения потока утечки на вершине и, следовательно, уменьшения силы взаимодействия между потоком утечки и основным потоком, что, в свою очередь, уменьшает общую потерю эффективности. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 14 ил.
Настоящее изобретение относится к аэродинамическому профилю компрессора.
В частности, оно относится к перу лопатки ротора компрессора и/или перу лопасти статора компрессора для турбинного двигателя и/или узлу ротора компрессора.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Компрессор газотурбинного двигателя содержит компоненты ротора, включающие в себя лопатки ротора и барабан ротора, и компоненты статора, включающие в себя лопасти статора и корпус статора. Компрессор расположен вокруг оси вращения с несколькими чередующимися ступенями лопаток ротора и лопастей статора, и каждая ступень содержит аэродинамический профиль.
Эффективность компрессора находится под влиянием рабочих зазоров или радиального зазора на вершине между его компонентами ротора и статора. Радиальный зазор или зазор между лопатками ротора и корпусом статора и между лопастями статора и барабаном ротора установлен как можно меньшим для минимизации утечки через вершину рабочих газов, но достаточно большим для предотвращения значительного трения, которое может повреждать компоненты. Разность давлений между стороной корыта и стороной спинки пера лопатки заставляет рабочий газ утекать через зазор на вершине. Этот поток рабочего газа или утечка через вершину генерирует аэродинамические потери из-за ее вязкого взаимодействия в пределах зазора на вершине и с основным потоком рабочего газа особенно на выходе из зазора на вершине. Это вязкое взаимодействие вызывает потерю эффективности ступени компрессора и впоследствии уменьшает эффективность газотурбинного двигателя.
Были выявлены два основных компонента потока утечки через вершину, которые проиллюстрированы на Фигуре 1, которая показывает вид с торца вершины 1 пера 2 лопатки на месте в компрессоре, таким образом, показывая область зазора на вершине. Первый компонент «А» утечки возникает вблизи входной кромки 3 пера лопатки на вершине 1 и образует вихрь 4 утечки на вершине, а второй компонент 5 создается потоком утечки, проходящим через вершину 1 со стороны 6 корыта 6 на сторону 7 спинки. Этот второй компонент 5 выходит из зазора на вершине и питает вихрь 4 утечки на вершине, тем самым создавая еще большие аэродинамические потери.
Следовательно, конструкция пера лопатки, которая может уменьшать один или оба компонента утечки на вершине, является весьма желательной.
В уровне техники в документе US 2017/218976 A1 раскрыто перо лопатки компрессора для газотурбинного двигателя или осевого технологического компрессора, перо лопатки компрессора имеет стенку поверхности спинки, имеющую поверхность спинки, и стенку поверхность корыта, имеющую поверхность корыта, причем стенка поверхности спинки и стенка поверхность корыта пересекаются на входной кромке и выходной кромке, и образуют вершину пера, причем перо имеет максимальную толщину Tmax. Средняя линия определяется как проходящая через входную и выходную кромки. Перо лопатки компрессора дополнительно включает винглет на конце, который выступает от поверхности спинки, винглет имеет выступ W, который имеет перпендикулярную протяженность от поверхности спинки в диапазоне от 0,1 Tmax до 1,5 Tmax. Винглет имеет максимальный вылет Wmax, который находится в пределах 50% длины средней линии от входной кромки.
По сравнению с известным решением настоящее изобретение предлагает усовершенствованную конструкцию пера лопатки компрессора для турбинного двигателя.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Согласно настоящему раскрытию обеспечено устройство, которое охарактеризовано в приложенной формуле изобретения. Другие признаки изобретения будут ясны из зависимых пунктов формулы изобретения и описания, которое следует далее.
Соответственно, может быть обеспечено перо (70) лопатки компрессора для турбинного двигателя. Перо (70) лопатки компрессора может содержать участок (100) вершины, который продолжается от участка (102) основной части. Участок (102) основной части может быть образован: стенкой (88) поверхности спинки, имеющей поверхность (89) спинки, стенкой (90) поверхность корыта, имеющей поверхность (91) корыта, причем стенка (88) поверхности спинки и стенка (90) поверхности корыта пересекаются на входной кромке (76) и выходной кромке (78). Участок (100) вершины может содержать: стенку (106) вершины, которая продолжается от входной кромки (76) пера лопатки до выходной кромки (78) пера лопатки; причем стенка (106) вершины образует кроку (110) вершины пера свистящего типа и имеет поверхность вершины. Одна из стенки (88) поверхности спинки или стенки (90) поверхности корыта может продолжаться по направлению к стенке (106) вершины (106) так, что соответственная поверхность спинки (89) или поверхность корыта (90) продолжается до стенки (106) вершины. Плечо (104, 105) может быть обеспечено на другой из стенки (88) поверхности спинки или стенки (90) поверхности корыта, причем плечо (104, 105) продолжается между входной кромкой (76) и выходной кромкой (78). Переходная область (108, 109) может сужаться от плеча (104, 105) в направлении к стенке (106) вершины. В поперечном сечении имеется плавный переход, образованный плечом и другой из стенки поверхности спинки или стенки поверхность корыта, и переходная область образует прерывистую кривую с поверхностью вершины.
Предпочтительно, плавный переход (124) содержит пересечение (120), имеющее угол ɸ, образованный между касательной (128) плеча и касательной (130) другой из стенки (88) поверхности спинки или стенки (90) поверхности корыта, причем угол ɸ составляет предпочтительно 0° и может быть меньше или равен 5°.
Предпочтительно, прерывистая кривая содержит пересечение (122), имеющее угол θ между касательной (132) переходной области (108, 109) и касательной (134) поверхности (118) вершины, каждая касательная находится в пересечении (122), угол θ составляет предпочтительно 90° и может составлять между 45° и 90°.
Плечо (104) может быть обеспечено на стенке (88) поверхности спинки; и поверхность корыта (91) продолжается до стенки (106) вершины.
Стенка (106) вершины может образовывать поверхность (118) вершины, которая продолжается от входной кромки (76) пера лопатки до выходной кромки (78) пера лопатки. Переходная область (109) стенки (88) поверхности спинки может продолжаться от плеча (104) в направлении к поверхность корыта (91) и в точке (121) перегиба стороны спинки переходная область (109) может искривляться для продолжения в направлении в сторону от поверхности (91) корыта по направлению к поверхности (118) вершины.
Участок (100) вершины может дополнительно содержать: линию (123) перегиба поверхности спинки, образованную изменением кривизны на поверхности (89) спинки; и причем точка (121) перегиба стороны спинки обеспечена на линии (123) перегиба стороны спинки; причем линия (123) перегиба стороны спинки продолжается между выходной кромкой (78) и входной кромкой (76).
Плечо (105) может быть обеспечено на стенке (90) поверхность корыта. Поверхность (89) спинки может продолжаться до стенки (106) вершины.
Стенка (106) вершины может образовывать поверхность (118) вершины, которая продолжается от входной кромки (76) пера лопатки до выходной кромки (78) пера лопатки. Переходная область (108) стенки (90) поверхности корыта может продолжаться от плеча (105) в направлении к поверхности спинки (89) и в точке (120) перегиба стороны корыта переходная область (108) может искривляться для продолжения в направлении в сторону от поверхности (89) спинки по направлению к поверхности (118) вершины.
Участок (100) вершины может дополнительно содержать: линию (122) перегиба поверхности корыта, образованную изменением кривизны на поверхности (91) корыта; причем точка (120) перегиба стороны корыта обеспечена на линии (122) перегиба стороны корыта; причем линия (122) перегиба стороны корыта продолжается между входной кромкой (76) и выходной кромкой (78).
Поверхность (91) корыта и поверхность (89) спинки разнесены друг от друга на расстояние WA; причем расстояние WA имеет максимальное значение в области между входной кромкой (76) и выходной кромкой (78); причем расстояние WA между поверхностью (91) корыта и поверхностью (89) спинки уменьшается по величине от максимального значения по направлению к входной кромки (76); и причем расстояние WA между поверхностью корыта (91) и поверхностью (89) спинки уменьшается по величине от максимального значения по направлению к выходной кромке (78).
Стенка (106) вершины может увеличиваться по ширине WSA вдоль ее длины от входной кромки (76); и может увеличиваться по ширине WSA вдоль ее длины от выходной кромки (78).
Ширина WSA стенки (106) вершины может иметь значение по меньшей мере 0,3, но не больше 0,6, от расстояния WA.
Также может быть обеспечен узел ротора компрессора для турбинного двигателя, причем узел ротора компрессора содержит корпус (50) и перо (70) лопатки компрессора согласно настоящему раскрытию, причем корпус (50) и перо (70) лопатки компрессора образуют зазор hg на вершине, образованный между поверхностью (118) вершины и корпусом (50). Зазор hg на вершине образуется, когда двигатель работает, и узел ротора компрессора является относительно горячим, или, по меньшей мере, когда двигатель не является холодным или не работает.
Также может быть обеспечен узел ротора компрессора согласно настоящему раскрытию, в котором: расстояние h2A от линии (122, 123) перегиба до корпуса (50) имеет значение по меньшей мере 1,5 hg, но не больше 3,5 hg.
Плечо (104, 105) может быть обеспечено на расстоянии h1A от корпуса (50); где h1A может иметь значение по меньшей мере 1,5, но не больше 2,7, от расстояния h2A.
Расстояние «W» точки на переходной области до стенки поверхности спинки или стенки поверхность корыта без переходной области для заданной высоты «h» от поверхности вершины определяется:
где α имеет значение больше или равное 1 и предпочтительно меньше или равное 5 и предпочтительно в диапазоне между 1,5 и 3; где β имеет значение больше 1, предпочтительно меньше или равное 5 и предпочтительно между 1 и 2.
Следовательно, обеспечено перо лопатки для компрессора, которое постепенно уменьшается по толщине по направлению к его вершине для образования кроки вершины пера свистящего типа. Это уменьшает массовый поток утечки на вершине, таким образом уменьшая силу взаимодействия между потоком утечки и основным потоком, что, в свою очередь, уменьшает потерю эффективности относительно примеров известного уровня техники.
Следовательно, перо лопатки компрессора настоящего раскрытия обеспечивает средство управления потерями путем уменьшения потока утечки на вершине.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Примеры настоящего раскрытия будут далее описаны со ссылкой на сопровождающие чертежи, на которых:
Фигура 1 показывает примерную вершину пера лопатки, которая рассмотрена в разделе уровня техники;
Фигура 2 показывает на виде в сечении часть турбинного двигателя, в котором может быть обеспечен перо лопатки настоящего раскрытия;
Фигура 3 показывает увеличенный вид части компрессора турбинного двигателя на Фигуре 2;
Фигура 4 показывает часть основной части и область вершины примера пера лопатки согласно настоящему раскрытию;
Фигура 5 показывает вид с торца части области вершины пера лопатки, показанного на Фигуре 4; и
Фигура 6 показывает вид в сечении пера лопатки, который обозначен A-A на Фигуре 5;
Фигура 7 представляет собой таблицу относительных размеров признаков, показанных на Фигуре 6;
Фигура 8 показывает часть основной части и область вершины альтернативного примера пера лопатки согласно настоящему раскрытию;
Фигура 9 показывает вид с торца части области вершины пера лопатки, показанного на Фигуре 8; и
Фигура 10 показывает вид в сечении пера лопатки, который обозначен A-A на Фигуре 9;
Фигура 11 представляет собой таблицу относительных размеров признаков, показанных на Фигуре 10;
Фигура 12 показывает графическое представление нескольких возможных профилей геометрии участка вершины в соответствии с Фигурой 10;
Фигура 13 показывает графическое представление нескольких возможных профилей геометрии участка вершины в соответствии с Фигурой 10;
Фигура 14 показывает вид в сечении пера лопатки, который обозначен A-A на Фигуре 5.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
Фигура 2 показывает на виде в сечении пример газотурбинного двигателя 10, который может содержать перо лопатки и узел ротора компрессора пот настоящему изобретению.
Газотурбинный двигатель 10 содержит последовательно по потоку впускное отверстие 12, секцию 14 компрессора, секцию 16 камеры сгорания и секцию 18 турбины, которые в общем расположены последовательно по потоку и в общем вокруг и в направлении продольной оси или оси 20 вращения. Газотурбинный двигатель 10 дополнительно содержит вал 22, который является вращаемым вокруг оси 20 вращения и который продолжается продольно через газотурбинный двигатель 10. Вал 22 соединяет с возможностью приведения в движение секцию 18 турбины с секцией 14 компрессора.
При работе газотурбинного двигателя 10 воздух 24, который засасывается через впускное отверстие 12 для воздуха, сжимается секцией 14 компрессора и подается в секцию сгорания или секцию 16 горелки. Секция 16 горелки содержит пленум 26 горелки, одну или более камер 28 сгорания и по меньшей мере одну горелку 30, прикрепленную к каждой камере 28 сгорания.
Камеры сгорания 28 и горелки 30 расположены внутри пленума 26 горелки. Сжатый воздух, проходящий через компрессор 14, поступает в диффузор 32 и выпускается из диффузора 32 в пленум 26 горелки, из которого участок воздуха поступает в горелку 30 и смешивается с газообразным или жидким топливом. Смесь воздуха с топливом затем сжигается и получающийся в результате газ 34 сгорания или рабочий газ от сгорания направляется через камеру 28 сгорания в секцию 18 турбины.
Секция 18 турбины содержит несколько несущих лопатки дисков 36, прикрепленных к валу 22. В дополнение, направляющие лопасти 40, которые прикреплены к статору 42 газотурбинного двигателя 10, расположены между ступенями кольцеобразных рядов лопаток 38 турбины. Между выходом камеры 28 сгорания и передними лопатками 38 турбины обеспечены впускные направляющие лопасти 44, которые направляют поток рабочего газа на лопатки 38 турбины.
Газ сгорания из камеры 28 сгорания поступает в секцию 18 турбины и приводит в движение лопатки 38 турбины, которые, в свою очередь, вращают вал 22. Направляющие лопасти 40, 44 служат для оптимизации угла сгорания или рабочего газа на лопатках 38 турбины.
Аэродинамические профили компрессора (другими словами, лопатки ротора компрессора и лопасти статора компрессора) имеют меньшее аспектное отношение, чем аэродинамические профили турбины (другими словами, лопатки ротора турбины и лопасти статора турбины), причем аспектное отношение определяется как отношение расстояния (т.е. ширины) пера лопатки к средней хорде (т.е. расстоянию по прямой линии от входной кромки до выходной кромки) пера лопатки. Аэродинамические профили турбины имеют относительно большое аспектное отношение, поскольку они по необходимости обширнее (т.е. шире) для вмещения охлаждающих каналов и полостей, тогда как аэродинамические профили компрессора, которые не требуют охлаждения, являются относительно узкими.
Аэродинамические профили компрессора также отличаются от аэродинамических профилей турбины функцией. Например, лопатки ротора компрессора выполнены с возможностью работы с воздухом, который проходит через них, тогда как лопатки ротора турбины имеют работу, выполняемую на них выхлопным газом, который проходит через них. Следовательно, аэродинамические профили компрессора отличаются от аэродинамических профилей турбины геометрией, функцией и рабочей текучей средой, воздействию которой они подвергаются. Следовательно, аэродинамические признаки и/или признаки динамики текучей среды и особенности аэродинамических профилей компрессора и аэродинамических профилей турбины, как правило, различаются, так как они должны быть выполнены для их разных применений и местоположений в устройстве, в котором они обеспечены.
Секция 18 турбины приводит в движение секцию 14 компрессора. Секция 14 компрессора содержит осевую последовательность ступеней 46 лопастей и ступеней 48 лопаток ротора. Ступени 48 лопаток ротора содержат диск ротора, поддерживающий кольцеобразный ряд лопаток. Секция 14 компрессора также содержит корпус 50, который окружает ступени ротора и поддерживает ступени 48 лопастей. Ступени направляющих лопастей включают в себя кольцеобразный ряд радиально продолжающихся лопастей, которые установлены на корпусе 50. Лопасти обеспечены для подачи потока газа под оптимальным углом для лопаток в заданной рабочей точке двигателя. Некоторые из ступеней направляющих лопастей имеют изменяемые лопасти, причем угол лопастей вокруг их собственной продольной оси может быть отрегулирован в соответствии с углом согласно характеристикам потока воздуха, которые могут возникать в разных условиях работы двигателя.
Корпус 50 образует радиально внешнюю поверхность 52 канала 56 компрессора 14. Радиально внутренняя поверхность 54 канала 56 по меньшей мере частично образована барабаном 53 ротора, который частично образован кольцеобразным рядом лопаток 48 и будет описан более подробно ниже.
Перо лопатки по настоящему изобретению описано со ссылкой на вышеизложенный примерный турбинный двигатель, имеющий один вал или каскад, соединяющий один многоступенчатый компрессор и одну турбину с одной или более ступенями. Однако следует принимать во внимание, что перо лопатки по настоящему изобретению в равной степени применимо к двигателям с двумя или тремя валами и которые могут быть использованы в промышленных, аэро- или морских применениях. Термин «ротор» или узел ротора предназначен включать в себя вращающиеся (т.е. вращаемые) компоненты, включающие в себя лопатки ротора и барабан ротора. Термин «статор» или «узел статора» предназначен включать в себя неподвижные или невращающиеся компоненты, включающие в себя лопасти статора и корпус статора. И наоборот, термин «ротор» предназначен для соотношения вращающегося компонента с неподвижным компонентом, например, вращающейся лопатки и неподвижного корпуса или вращающегося корпуса и неподвижной лопатки или лопасти. Вращающийся компонент может быть расположен радиально внутрь или радиально наружу от неподвижного компонента.
Термины «осевой», «радиальный» и «периферийный» выполнены со ссылкой на ось 20 вращения двигателя.
Со ссылкой на Фигуру 3 компрессор 14 турбинного двигателя 10 включает в себя чередующиеся ряды направляющих лопастей 46 статора и вращаемых лопаток 48 ротора, каждая из которых продолжается в общем в радиальном направлении в или через канал 56.
Ступени 49 лопаток ротора содержат диски 68 ротора, поддерживающие кольцеобразный ряд лопаток. Лопатки 48 ротора установлены между смежными дисками 68, но каждый кольцеобразный ряд лопаток 48 ротора может в противном случае быть установлен на одном диске 68. В каждом случае лопатки 48 содержат участок 72 установочной ножки или основания, платформу 74, установленную на участке 72 ножки, и перо 70 лопатки, имеющ переднюю кромку 76, заднюю кромку 78 и вершину 80 лопатки. Перо 70 лопатки установлено на платформе 74 и продолжается радиально наружу из нее по направлению к поверхности 52 корпуса 50 для образования зазора на вершине лопатки, hg (который также может быть назван зазором 82 лопатки).
Радиально внутренняя поверхность 54 канала 56 по меньшей мере частично образована платформами 74 лопаток 48 и дисками 68 компрессора. В альтернативном варианте выполнения, упомянутом выше, где лопатки 48 компрессора установлены в один диск, осевое пространство между смежными дисками может быть перекрыто кольцом 84, которое может быть кольцеобразным или сегментированным по окружности. Кольца 84 зажаты между в осевом направлении смежными рядами 48 лопаток и обращены к вершине 80 направляющих лопастей 46. В дополнение в качестве еще одного альтернативного варианта выполнения отдельный сегмент или кольцо может быть прикреплено снаружи диска компрессора, показанного здесь как зацепляющий радиально внутреннюю поверхность платформ.
Фигура 3 показывает два разных типа направляющих лопастей: направляющие лопасти 46V с изменяемой геометрией и направляющие лопасти 46F с постоянной геометрией. Направляющие лопасти 46V с изменяемой геометрией установлены на корпусе 50 или статоре с помощью традиционных вращаемых установочных средств 60. Направляющие лопасти содержат перо 62 лопасти, переднюю кромку 64, заднюю кромку 66 и вершину 80. Вращаемое установочное средство 60 хорошо известно в уровне техники, как и работа изменяемых лопастей статора, и в связи с этим дополнительное описание не требуется. Направляющие лопасти 46 продолжаются радиально внутрь из корпуса 50 по направлению к радиально внутренней поверхности 54 канала 56 для образования зазора на вершине лопасти или зазора 83 лопасти между ними.
Совместно зазор на вершине лопатки или зазор 82 лопатки и зазор на вершине лопасти или зазор 83 лопасти называются здесь «зазор hg на вершине». Термин «зазор на вершине» используется здесь для ссылки на расстояние, обычно радиальное расстояние, между поверхностью вершины участка пера лопатки и поверхностью барабана ротора или поверхностью корпуса статора.
Несмотря на то, что перо лопатки настоящего раскрытия описан со ссылкой на лопатку компрессора и ее вершину, перо лопатки также может быть выполнено в виде лопасти статора компрессора, например, сродни лопастям 46V и 46F.
Настоящее раскрытие может относиться к небандажированному аэродинамическому профилю компрессора и в частности может относиться к конфигурации вершины пера лопатки компрессора для минимизации аэродинамических потерь.
Перо 70 лопатки компрессора содержит стенку 88 поверхности спинки и стенку 90 поверхности корыта, которые пересекаются на входной кромке 76 и выходной кромке 78. Стенка 88 поверхности спинки имеет поверхность 89 спинки, а стенка 90 поверхность корыта имеет поверхность 91 корыта.
Как показано на Фигуре 3, перо 70 лопатки компрессора содержит участок 72 основания, удаленный от участка 100 вершины участком 102 основной части.
Фигура 4 показывает увеличенный вид части пера 70 лопатки компрессора согласно одному примеру настоящего раскрытия. Фигура 5 показывает вид с торца части области вершины пера 70 лопатки. Фигура 6 показывает вид в сечении пера лопатки в точках A-A вдоль линии хорды пера лопатки, например, которые обозначены на Фигуре 4. Фигура 7 обобщает отношение между различными размерами, которые обозначены на Фигуре 6.
Участок 102 основной части образован стенкой 88 выпуклой поверхности спинки, имеющей поверхность 89 спинки, и стенкой 90 вогнутой поверхность корыта, имеющей поверхность 91 корыта. Стенка 88 поверхности спинки и стенка 90 поверхности корыта пересекаются на входной кромке 76 и на выходной кромке 78.
Участок 100 вершины содержит стенку 106 вершины, которая продолжается от входной кромки 76 пера лопатки до выходной кромки 78 пера лопатки. Стенка 106 вершины образует кромку 110 вершины пера свистящего типа .
В примере на Фигуре 4 участок 100 вершины дополнительно содержит плечо 105, обеспеченное на стенке 90 поверхности корыта, причем плечо 105 продолжается между входной кромкой 76 и выходной кромкой 78. Участок 100 вершины дополнительно содержит переходную область 108, которая сужается от плеча 105 в направлении к стенке 106 вершины.
Стенка 88 поверхности спинки продолжается на всем пути по направлению к стенке 106 вершины так, что поверхность 89 спинки продолжается на всем пути до стенки 106 вершины. Другими словами, в секции 100 вершины поверхность 89 спинки продолжается в том же направлении (т.е. с той же кривизной) по направлению к стенке 106 вершины, как и в участке 102 основной части. Другими словами, поверхность 89 спинки продолжается от участка 102 основной части без перехода и/или изменения направления к стенке 106 вершины. Иными словами, имеется плечо 105 стороны корыта, но никакое такое плечо не обеспечено как часть поверхности 89 спинки в настоящем примере.
Стенка 106 вершины образует поверхность 118 вершины, которая продолжается от входной кромки 76 пера лопатки до выходной кромки 78 пера лопатки.
Как показано на Фигуре 6, переходная область 108 стенки 90 поверхности корыта продолжается от плеча 105 в направлении к поверхности 89 спинки и в точке 120 перегиба стороны корыта переходная область 108 искривляется для продолжения в направлении в сторону от поверхности 89 спинки по направлению к поверхности 118 вершины.
Как лучше всего показано на Фигурах 4, 5, участок 100 вершины дополнительно содержит линию 122 перегиба поверхность корыта, образованную изменением кривизны на поверхность 91 корыта, причем точка 120 перегиба стороны корыта обеспечена на линии 122 перегиба стороны корыта, причем линия 122 перегиба стороны корыта продолжается на всем пути от входной кромки 76 до выходной кромки 78.
Фигура 8 показывает увеличенный вид части пера 70 лопатки компрессора согласно альтернативному примеру настоящего раскрытия. Фигура 9 показывает вид с торца части области вершины пера 70 лопатки на Фигуре 8. Фигура 10 показывает виды в сечении пера лопатки в точках A-A вдоль линии хорды пера лопатки, например, которые обозначены на Фигурах 8, 9. Фигура 11 обобщает отношение между различными размерами, которые обозначены на Фигуре 10.
Признаки, общие для примера на Фигурах 4-7, идентифицированы одинаковыми ссылочными позициями. Примеры на Фигурах 4-7 и Фигурах 8-11 идентичны за исключением того, что стенка 106 вершины и кромка 110 вершины пера свистящего типа в примере на Фигурах 4-7 обеспечены по направлению к стороне 88 спинки, а стенка 106 вершины и кромка 110 вершина пера свистящего типа примера на Фигурах 8-11 обеспечены по направлению к стороне 90 корыта.
В примере на Фигуре 8 участок 100 вершины содержит плечо 104, обеспеченное на стенке 88 поверхности спинки, причем плечо 104 продолжается между входной кромкой 76 и выходной кромкой 78. Участок 100 вершины дополнительно содержит переходную область 109, которая сужается от плеча 104 в направлении к стенке 106 вершины.
Стенка 90 поверхности корыта продолжается на всем пути по направлению к стенке 106 вершины так, что поверхность 91 корыта продолжается на всем пути до стенки 106 вершины. Другими словами, в секции 100 вершины поверхность 91 корыта продолжается в том же направлении (т.е. с той же кривизной) по направлению к стенке 106 вершины, как и в участке 102 основной части. Другими словами, поверхность 91 корыта продолжается от участка 102 основной части без перехода и/или изменения направления к стенке 106 вершины. Иными словами, имеется плечо 104 стороны спинки, но никакое такое плечо не обеспечено как часть поверхность 91 корыта.
Как показано на Фигуре 10, переходная область 109 стенки 88 поверхности спинки продолжается от плеча 104 в направлении к поверхности 91 корыта и в точке 121 перегиба стороны спинки переходная область 109 искривляется для продолжения в направлении в сторону от поверхности 91 корыта по направлению к поверхности 118 вершины.
Как лучше всего показано на Фигурах 8, 9, участок 100 вершины дополнительно содержит линию 123 перегиба поверхности спинки, образованную изменением кривизны на поверхности 89 спинки, причем точка 121 перегиба стороны спинки обеспечена на линии 123 перегиба стороны спинки, причем линия 123 перегиба стороны спинки продолжается от входной кромки 76 на всем пути до выходной кромки 78.
Следовательно, примеры на Фигурах 4-7 и Фигурах 8-11 иллюстрируют перо 70 лопатки компрессора для турбинного двигателя, который имеет плечо 104, 105, обеспеченное только на одной из стенки 88 поверхности спинки или стенки 90 поверхности корыта, причем плечо 104, 105 продолжается между входной кромкой 76 и выходной кромкой 78. Следовательно, плечо 104, 105 обеспечено на одной из стенки 88 поверхности спинки или стенки 90 поверхность корыта, но не на обеих.
В обоих примерах переходная область 108, 109 сужается от плеча 104, 105 в направлении к стенке 106 вершины, а другая из стенки 88 поверхности спинки или стенки 90 поверхности корыта (то есть та, которая не имеет плеча 104, 105) продолжается на всем пути по направлению к стенке 106 вершины, как описано в каждом примере выше, так, что связанная поверхность спинки или поверхность корыта без плеча продолжается на всем пути до стенки 106 вершины.
Как показано на Фигурах 6, 10, поверхность 91 корыта и поверхность 89 спинки разнесены друг от друга на расстояние WA, которое изменяется между входной кромкой 76 и выходной кромкой 78. Следовательно, WA представляет собой расстояние между стенкой 90 корыта и стенкой 88 спинки на сечении А-А в любой точке вдоль линии хорды пера лопатки между входной кромкой и выходной кромкой. Иными словами, WA представляет собой местную толщину участка 102 основной части в заданном местоположении вдоль хорды пера лопатки, который продолжается от входной кромки до выходной кромки.
Во избежание сомнения термин «хорда» относится к воображаемой прямой линии, которая соединяет переднюю кромку 76 и заднюю кромку 78 пера 70 лопатки. Следовательно, длина L хорды представляет собой расстояние между выходной кромкой 78 и точкой на входной кромке 76, где хорда пересекает переднюю кромку.
Расстояние WA может иметь максимальное значение в области между входной кромкой 76 и выходной кромкой 78.
Расстояние WA между поверхностью 91 корыта и поверхностью 89 спинки может уменьшаться по величине от максимального значения по направлению к входной кромке 76.
Расстояние WA между поверхностью 91 корыта и поверхностью 89 спинки может уменьшаться по величине от максимального значения по направлению к выходной кромке 78.
Стенка 106 вершины (т.е. кромка 110 вершины пера свистящего типа или squaeler) может увеличиваться по ширине WSA вдоль ее длины от входной кромки 76 и может увеличиваться по ширине WSA вдоль ее длины от выходной кромки 78.
Иными словами, стенка 106 вершины может уменьшаться по ширине WSA вдоль ее длины по направлению к входной кромке 76 и уменьшаться по ширине WSA вдоль ее длины по направлению к выходной кромке 78.
Ширина WSA стенки 106 вершины, образующей кромку вершины пера свистящего типа может иметь значение по меньшей мере 0,3, но не больше 0,6, от расстояния WA между поверхностью 91 корыта и поверхностью 89 спинки, измеренного в том же сечении А-А участка 102 основной части.
Другими словами, ширина WSA стенки 106 вершины имеет значение по меньшей мере 0,3, но не больше 0,6, от расстояния WA, измеренного в том же сечении на хорде между входной кромкой и выходной кромкой.
Расстояние WA может изменяться по величине вдоль длины участка 100 вершины и, следовательно, расстояние WSA может изменяться соответственно.
Со ссылкой на узел ротора компрессора для турбинного двигателя, содержащий перо лопатки компрессора согласно настоящему раскрытию, и как описано выше и показано на Фигурах 6, 10, узел ротора компрессора содержит корпус 50 и перо 70 лопатки компрессора, причем корпус 50 и перо 70 лопатки компрессора образуют зазор на вершине, hg, образованный между поверхностью вершины и корпусом.
В таком примере расстояние h2A от линии 122, 123 перегиба до корпуса 50 имеет значение по меньшей мере около 1,5, но не больше около 3,5, от зазора hg на вершине. Иными словами, расстояние h2A от линии 122, 123 перегиба до корпуса 50 имеет значение по меньшей мере 1,5 hg, но не больше 3,5 hg.
Соответственные плечи 104, 105 каждого примера обеспечены на расстоянии h1A от корпуса 50, где h1A имеет значение по меньшей мере 1,5, но не больше 2,7, от расстояние h2A. Иными словами, расстояние h1A имеет значение по меньшей мере 1,5 h2A, но не больше 2,7 h2A.
Расстояние «W» точки на переходной области 108, 109 на одной из стенок 88, 90 до противоположной стенки без переходной области 108, 109 для заданной высоты (расстояния) «h» от поверхности 118 вершины определяется (Уравнение 1):
Иными словами, W представляет собой покрытое (т.е. кратчайшее) расстояние между точкой от одной из стенки 88 поверхности спинки или стенки 90 поверхности корыта без переходной области 108, 109 до точки на переходной области 108, 109 на заданной высоте h от поверхности вершины 118 при перемещении вдоль поверхности переходной области 108 между плечом 104 и поверхностью 118 вершины.
Следовательно, «h» представляет собой расстояние между плечом 104 и поверхностью 118 вершины.
В уравнении 1 показатели α и β введены и диапазоны даны в таблице, показанной на Фигуре 7 (и 11). Показатель α равен или больше 1 и предпочтительно меньше или равен 5. Предпочтительный диапазон показателя α находится между и включает в себя 1,5 и 3. Этот диапазон дает особенно хорошую минимизацию аэродинамических потерь. Показатель β равен или больше 1 и предпочтительно меньше или равен 5. Предпочтительный диапазон показателя β находится между и включает в себя 1 и 2. Этот диапазон дает особенно хорошую минимизацию аэродинамических потерь и особенно когда показатель a имеет значение между и включает в себя 1 и 2.
Фигура 12 показывает графическое представление нескольких возможных профилей геометрии участка 100 вершины в соответствии с Фигурой 10 и уравнением 1 с учетом их значений, приведенных на Фигуре 11. Аналогично вариант выполнения на Фигуре 10 также может быть применен к профилю, показанному на Фигуре 6, и значениям на Фигуре 7. В частности, здесь β=1, и сгенерированы два профиля (плеча 104 или 105 и переходного участка 108 или 109 соответственно), где α=1,5 и 2.
Фигура 13 показывает графическое представление нескольких возможных профилей геометрии участка 100 вершины в соответствии с Фигурой 10 и уравнением 1 с учетом их значений, приведенных на Фигуре 11. Аналогично вариант выполнения на Фигуре 10 также может быть применен к профилю, показанному на Фигуре 6, и значениям на Фигуре 7. В частности, здесь α=2, и сгенерированы два профиля (плеча 104 или 109 и переходного участка 108 или 109 соответственно), где β=1 и 2.
В общем и в соответствии с уравнением 1 и со ссылкой на Фигуру 10 (и 6) расстояние h2A от линии 122, 123 перегиба до корпуса 50 имеет значение по меньшей мере 1,5, но не больше 3,5, от зазора hg на вершине. Иными словами, расстояние h1A имеет значение по меньшей мере 1,5 h2A, но не больше 2,7 h2A. Соответственные плечи 104, 105 каждого примера обеспечены на расстоянии h1A от корпуса 50, где h1A имеет значение по меньшей мере 1,5, но не больше 2,7, от расстояния h2A. Иными словами, расстояние h1A имеет значение по меньшей мере 1,5 h2A, но не больше 2,7 h2A.
Фигура 14 представляет собой вид в сечении пера лопатки, который обозначен A-A на Фигуре 5. Как может быть видно, профиль в сечении настоящего участка 100 вершины, который содержит плечо 105 и переходную область 108, дополнительно образован пересечениями 120, 122 со стенкой 90 поверхности корыта (или стенкой 88 поверхности спинки) и переходной областью 108 (и 109) соответственно. В показанном поперечном сечении имеется плавный переход 124, образованный плечом 104, 105 и стенкой 90 поверхности корыта (или стенкой 88 поверхности спинки). Плавный переход 124 содержит пересечение 120, имеющее угол ɸ, образованный между касательными 128 и 130 плеча 104, 105 и стенкой 90 поверхность корыта (или стенкой 88 поверхности спинки). Угол ɸ составляет 0°, т.е. касательные 128, 130 совпадают, но угол ɸ может составлять вплоть до 5°. Таким образом, когда угол ɸ составляет 0°, поверхность плеча полностью плавно переходит в поверхность корыта или поверхность спинки. Этот плавный переход обеспечивает, что воздух, проходящий через эту область, имеет минимальное аэродинамическое возмущение. Углы ɸ вплоть до 5° вызывают приемлемый уровень возмущения потока воздуха.
Переходная область 108, 109 образует прерывистую кривую с поверхностью 118 вершины. В показанном поперечном сечении поверхность 118 вершины предпочтительно прямая. Прерывистая кривая содержит пересечение 122, образованное там, где пересекаются переходная область 104, 105 и поверхность 118 вершины. Соответственные касательные 132, 134 переходной области 104, 105 и поверхности 118 вершины имеют угол θ, который составляет 90°. Пересечение 122, учитывая его протяженность по длине пера лопатки между входной и выходной кромками, образует острую кромку. В других примерах угол θ может составлять между 45° и 90°, что по-прежнему обеспечивает острую кромку. Таким образом, термин «прерывистая кривая» предназначен означать, что имеется острая кромка. Острая кромка или прерывистая кривая минимизирует утечку через вершину посредством вызывания турбулентности в потоке воздуха через острую кромку так, что турбулентность увеличивает статическое давление выше поверхности 118 вершины. Увеличение статического давления выше поверхности 118 вершины препятствует утечке через вершину и в связи с этим улучшает эффективность пера лопатки.
Значения, приведенные на Фигуре 7 и Фигуре 11 для уравнения 1, приводят к профилям вершины в рамках вышеописанной геометрии на Фигуре 14.
При работе в компрессоре геометрия пера лопатки компрессора по настоящему изобретению отличается двумя образами от вариантов выполнения известного уровня техники, например, как показано на Фигуре 1.
В обоих примерах на Фигурах 4-7 и Фигурах 8-11 перегибы 120, 121 (т.е. линии 122, 123 перегиба) в переходных областях 108, 109, которые образуют область стенки вершины для кромки вершины пера свистящего 110 типа , препятствуют утечке первичного потока путем уменьшения разности давлений на входной кромке 76 стенки 106 вершины и, следовательно, потеря из-за потока на вершине ниже.
Стенка 106 вершины, образующая кромку 110 вершины пера свистящего типа, являющаяся более узкой, чем общая ширина основной части 102, вызывает в целом более низкую разность давлений на поверхности 118 вершины, чем если бы поверхность 118 вершины имела такое же поперечное сечение, что и основная часть 102. Следовательно, вторичный поток утечки на поверхности 118 вершины будет меньше, чем в примерах известного уровня техники, и образованный вихрь первичного потока утечки через вершину, следовательно, имеет меньшую интенсивность, так как вторичный поток утечки, питающий его, меньше, чем в примерах известного уровня техники.
Дополнительно, так как кромка 110 вершины пера свистящего типа пера 70 лопатки уже, чем стенки основной части 102, конфигурация с точки зрения трения менее устойчива к перемещению, чем пример известного уровня техники, в котором вершина пера лопатки имеет такое же поперечное сечение, что и основная часть (например, как показано на Фигуре 1). Другими словами, так как кромка 110 вершины пера свистящего типа настоящего раскрытия имеет относительно маленькую площадь поверхности, силы трения и аэродинамические силы, генерируемые им в отношении корпуса 50, будут меньше, чем в примерах известного уровня техники.
Таким образом, величина потока утечки через вершину, протекающего по поверхности 118 вершины, уменьшается, как и потенциальное сопротивление трению. Уменьшение величины вторичного потока утечки через вершину является благоприятным, поскольку в этом случае имеется меньше взаимодействия с (например, питания) вихрем утечки через вершину.
Следовательно, обеспечена лопатка ротора и/или лопасть статора для компрессора для турбинного двигателя, выполненная с возможностью уменьшения потока утечки на вершине и, следовательно, уменьшения силы взаимодействия между потоком утечки и основным потоком, что, в свою очередь, уменьшает общую потерю эффективности.
Как описано, перо лопатки уменьшено по толщине по направлению к его вершине для образования участка кромки вершины пера свистящего типа на (выпуклой) стороне спинки пера лопатки (как показано на Фигурах 4-7) или (вогнутой) стороне корыта пера лопатки(как показано на Фигурах 8-11), которое продолжается от его входной кромки по направлению к выходной кромке. Этот вариант выполнения уменьшает разность давлений на вершине и, следовательно, уменьшает вторичный поток утечки. Этот вариант выполнения, особенно вблизи входной кромки, действует для уменьшения первичного потока утечки и, следовательно, уменьшает массовый поток утечки через вершину, тем самым уменьшая силу взаимодействия между потоком утечки и основным потоком, что, в свою очередь, уменьшает потерю эффективности.
Следовательно, перо лопатки компрессора по настоящему изобретению приводит к компрессору большей эффективности по сравнению с известными вариантами выполнения.
Внимание направлено на все бумаги и документы, которые поданы одновременно или до этого описания в связи с этой заявкой и которые открыты для общественного доступа с этим описанием, и содержание всех таких бумаг и документов включено здесь путем ссылки.
Все признаки, раскрытые в этом описании (включающем в себя любые пункты сопровождающей формулы изобретения, реферат и чертежи), и/или все из этапов любого способа или процесса, раскрытого таким образом, могут быть объединены в любом сочетании за исключением сочетаний, где по меньшей мере некоторые из таких признаков и/или этапов являются взаимоисключающими.
Каждый признак, раскрытый в этом описании (включающем в себя любые пункты сопровождающей формулы изобретения, реферат и чертежи), может быть заменен на альтернативные признаки, служащие той же, эквивалентной или аналогичной цели, если прямо не указано иное. Таким образом, если прямо не указано иное, каждый раскрытый признак является только одним примером общего ряда эквивалентных или аналогичных признаков.
Изобретение не ограничено деталями вышеприведенного варианта (вариантов) выполнения. Изобретение распространяется на любой новый или любое новое сочетание признаков, раскрытых в этом описании (включающем в себя любые пункты сопровождающей формулы изобретения, реферат и чертежи), или на любой новый или любое новое сочетание этапов любого способа или процесса, раскрытого таким образом.
1. Перо (70) лопатки компрессора для турбинного двигателя, причем перо лопатки (70) компрессора содержит:
участок (100) вершины, который продолжается от участка (102) основной части;
причем участок (102) основной части образован:
стенкой (88) поверхности спинки, имеющей поверхность (89) спинки,
стенкой (90) поверхность корыта, имеющей поверхность (91) корыта, причем
стенка (88) поверхности спинки и стенка (90) поверхность корыта пересекаются на входной кромке (76) и выходной кромке (78),
причем участок (100) вершины содержит:
стенку (106) вершины, которая продолжается от входной кромки (76) пера лопатки до выходной кромки (78) пера лопатки;
стенка (106) вершины образует кромку (110) вершины пера свистящего типа и имеет поверхность (118) вершины; и
одна из стенки (88) поверхности спинки или стенки (90) поверхности корыта продолжается по направлению к стенке (106) вершины так, что соответственная поверхность (89) спинки или поверхность (90) корыта продолжается до стенки (106) вершины;
плечо (104, 105) обеспечено на другой из стенки (88) поверхности спинки или стенки (90) поверхности корыта;
причем стенка (106) вершины, образующая кромку (110) вершины пера свистящего типа, вдоль ее длины является более узкой, чем общая ширина участка (102) основной части,
причем плечо (104, 105) продолжается между входной кромкой (76) и выходной кромкой (78); причем
переходная область (108, 109) сужается от плеча (104, 105) в направлении к стенке (106) вершины,
причем в поперечном сечении имеется плавный переход (124), образованный плечом (104, 105) и другой из стенки (88) поверхности спинки или стенки (90) поверхность корыта, и
переходная область (108, 109) образует прерывистую кривую с поверхностью (118) вершины.
2. Перо (70) лопатки компрессора по п. 1, в котором
плавный переход (124) содержит пересечение (120), имеющее угол ɸ, образованный между касательной (128) плеча и касательной (130) другой из стенки (88) поверхности спинки или стенки (90) поверхность корыта, причем угол ɸ составляет предпочтительно 0° и может быть меньше или равен 5°.
3. Перо (70) лопатки компрессора по любому из пп. 1, 2, в котором
упомянутая прерывистая кривая содержит пересечение (122), имеющее угол θ между касательной (132) переходной области (108, 109) и касательной (134) поверхности (118) вершины, каждая касательная находится в пересечении (122), угол θ составляет предпочтительно 90° и может составлять между 45° и 90°.
4. Перо (70) лопатки компрессора по любому из пп. 1-3, в котором:
поверхность (118) вершины продолжается от входной кромки (76) пера лопатки до выходной кромки (78) пера лопатки;
переходная область (109) стенки (88) поверхности спинки продолжается от плеча (104) в направлении к поверхности (91) корыта, и
в точке (121) перегиба стороны спинки переходная область (109) искривляется для продолжения в направлении в сторону от поверхности (91) корыта по направлению к поверхности (118) вершины.
5. Перо (70) лопатки компрессора по любому из пп. 1-4, в котором участок (100) вершины дополнительно содержит:
линию (123) перегиба поверхности спинки, образованную изменением кривизны на поверхности (89) спинки; и
причем точка (121) перегиба стороны спинки обеспечена на линии (123) перегиба стороны корыта;
причем линия (123) перегиба стороны спинки продолжается между выходной кромкой (78) и входной кромкой (76).
6. Перо (70) лопатки компрессора по любому из пп. 1-3, в котором
плечо (105) обеспечено на стенке (90) поверхность корыта; и
поверхность (89) спинки продолжается до стенки (106) вершины.
7. Перо (70) лопатки компрессора по п. 6, в котором:
стенка (106) вершины образует поверхность (118) вершины, которая продолжается от входной кромки (76) пера лопатки до выходной кромки (78) пера лопатки;
переходная область (108) стенки (90) поверхности корыта продолжается от плеча (105) в направлении к поверхности (89) спинки, и
в точке (120) перегиба стороны корыта
переходная область (108) искривляется для продолжения в направлении в сторону от поверхности (89) спинки по направлению к поверхности (118) вершины.
8. Перо (70) лопатки компрессора по п. 6 или 7, в котором участок (100) вершины дополнительно содержит:
линию (122) перегиба поверхности корыта, образованную изменением кривизны на поверхности (91) корыта;
причем точка (120) перегиба стороны корыта обеспечена на линии (122) перегиба стороны корыта;
причем линия (122) перегиба стороны корыта продолжается между входной кромкой (76) и выходной кромкой (78).
9. Перо (70) лопатки компрессора по любому из предыдущих пунктов, в котором:
поверхность (91) корыта и поверхность (89) спинки разнесены друг от друга на расстояние WA;
причем расстояние WA имеет максимальное значение в области между входной кромкой (76) и выходной кромкой (78);
расстояние WA между поверхностью (91) корыта и поверхностью (89) спинки уменьшается по величине от максимального значения по направлению к входной кромке (76); и
расстояние WA между поверхностью (91) корыта и поверхностью (89) спинки уменьшается по величине от максимального значения по направлению к выходной кромке (78).
10. Перо (70) лопатки компрессора по любому из предыдущих пунктов, в котором:
стенка (106) вершины увеличивается по ширине WSA вдоль ее длины от входной кромки (76); и
увеличивается по ширине WSA вдоль ее длины от выходной кромки (78).
11. Перо (70) лопатки компрессора по п. 9 или 10, в котором
ширина WSA стенки (106) вершины
имеет значение по меньшей мере 0,3, но не больше 0,6, от расстояния WA.
12. Узел ротора компрессора для турбинного двигателя, причем узел ротора компрессора содержит корпус (50) и перо (70) лопатки компрессора по любому из пп. 1-11, в котором
корпус (50) и перо (70) лопатки компрессора образуют зазор hg на вершине, образованный между поверхностью (118) вершины и корпусом (50).
13. Узел ротора компрессора по п. 12, в котором:
расстояние h2A от линии (122, 123) перегиба до корпуса (50) имеет значение по меньшей мере 1,5 hg, но не больше 3,5 hg.
14. Узел ротора компрессора по п. 13, в котором:
плечо (104, 105) обеспечено на расстоянии h1A от корпуса (50); где
h1A имеет значение по меньшей мере 1,5, но не больше 2,7, от расстояния h2A.
15. Узел ротора компрессора по п. 14, в котором:
расстояние «W» точки на переходной области (108, 109) до стенки (88) поверхности спинки или стенки (90) поверхности корыта без переходной области (108) для заданной высоты «h» от поверхности (118) вершины определяется:
где α имеет значение больше или равное 1 и предпочтительно меньше или равное 5 и предпочтительно в диапазоне между 1,5 и 3,
где β имеет значение больше 1, предпочтительно меньше или равное 5 и предпочтительно между 1 и 2.
