PL196777B1 - Łopatka sprężarki, zwłaszcza do silnika turbogazowego - Google Patents

Abstract

1. Lopatka spr ezarki, zw laszcza do silnika turbogazowego, maj acego tarcz e wirnika z osiami wzd lu zn a, styczn a i promie- niow a, zawieraj aca powierzchni e spr ezaj ac a i powierzchni e zasysaj ac a usytuowane promieniowo od stopki do ko ncówki i osiowo pomi edzy kraw edzi a wlotu i kraw edzi a sp lywu, przy czym przekroje poprzeczne lopatki maj a odpowiednie ci eciwy i linie szkieletowe rozci agaj ace si e pomi edzy kraw edzi a wlotu i kraw edzi a sp lywu, a srodki ci ezko sci kolejnych przekrojów poprzecznych tworz a lini e srodków ci ezko sci przekrojów, zna- mienna tym, ze utworzona przez srodki ci ezko sci (34) kolejnych przekrojów poprzecznych linia srodków ci ezko sci przekrojów (36) jest podwójnie wygi eta, a powierzchnia zasysaj aca (20) jest wygi eta wzd lu z kraw edzi sp lywu (28) w pobli zu stopki (22) zmniejszaj ac rozdzielanie przep lywu w tym miejscu, przy czym dla linii srodków ci ezko sci przekrojów (36) s a okre slone prosto- pad le do siebie styczny rzut (36a) i wzd lu zny rzut (36b), z których styczny rzut (36a) ma pierwsze wygi ecie (38) posia- daj ace pocz atkowe nachylenie do przodu od stopki (22) w kierunku powierzchni spr ezaj acej (18), i drugie wygi ecie (40) po laczone z pierwszym wygi eciem (38) i odchylone do ty lu w kierunku powierzchni zasysaj acej (20) w pobli zu ko ncówki (24), a k at przodowania (A) przekrojów w pobli zu stopki (12) jest zmienny, za s powierzchnia zasysaj aca (20) jest wygi eta przy stopce (22) dla zmniejszenia rozdzielenia przep lywu. PL PL PL PL

Description

(22) Data zgłoszenia: 29.08.2000 F04D 29/32 (2006.01)

Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (54)

Łopatka sprężarki, zwłaszcza do silnika turbogazowego (73) Uprawniony z patentu:

GENERAL ELECTRIC COMPANY,Schenectady,US (30) Pierwszeństwo:

06.12.1999,US,09/455,826 (43) Zgłoszenie ogłoszono:

18.06.2001 BUP 13/01 (45) O udzieleniu patentu ogłoszono:

31.01.2008 WUP 01/08 (72) Twórca(y) wynalazku:

Hsin-Tuan Liu,West Chester,US Robert D. Dickman,Cincinnati,US Kenneth William Krabacher,Hamilton,US Gregory Todd Steinmetz,Cincinnati,US Brent Franklin Beacher,Hamilton,US Bryan Keith Doloresco,Cincinnati,US (74) Pełnomocnik:

Słomińska-Dziubek Anna, POLSERVICE, Kancelaria Rzeczników Patentowych Sp. z o.o.

(57) 1. Łopatka sprężarki, zwłaszcza do silnika turbogazowego, mającego tarczę wirnika z osiami wzdłużną, styczną i promieniową, zawierająca powierzchnię sprężającą i powierzchnię zasysającą usytuowane promieniowo od stopki do końcówki i osiowo pomiędzy krawędzią wlotu i krawędzią spływu, przy czym przekroje poprzeczne łopatki mają odpowiednie cięciwy i linie szkieletowe rozcią gające się pomiędzy krawędzią wlotu i krawę dzią spływu, a środki ciężkoś ci kolejnych przekrojów poprzecznych tworzą linię środków ciężkości przekrojów, znamienna tym, że utworzona przez środki ciężkości (34) kolejnych przekrojów poprzecznych linia środków ciężkości przekrojów (36) jest podwójnie wygięta, a powierzchnia zasysająca (20) jest wygięta wzdłuż krawędzi spływu (28) w pobliżu stopki (22) zmniejszając rozdzielanie przepływu w tym miejscu, przy czym dla linii środków ciężkości przekrojów (36) są określone prostopadłe do siebie styczny rzut (36a) i wzdłużny rzut (36b), z których styczny rzut (36a) ma pierwsze wygięcie (38) posiadające początkowe nachylenie do przodu od stopki (22) w kierunku powierzchni sprężającej (18), i drugie wygięcie (40) połączone z pierwszym wygięciem (38) i odchylone do tyłu w kierunku powierzchni zasysającej (20) w pobliżu końcówki (24), a ką t przodowania (A) przekrojów w pobliż u stopki (12) jest zmienny, zaś powierzchnia zasysająca (20) jest wygięta przy stopce (22) dla zmniejszenia rozdzielenia przepływu.

PL 196 777 B1

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest łopatka sprężarki, zwłaszcza do silnika turbogazowego. Obecny wynalazek odnosi się do sprężarek lub wentylatorów silników turbogazowych.

W samolotowych silnikach turbogazowych dwuprzepływowych, podczas działania powietrze jest sprężane w wentylatorze i sprężarce. Powietrze z wentylatora jest używane do napędzania samolotu podczas lotu. Powietrze przeprowadzane przez sprężarkę jest mieszane z paliwem w zespole komory spalania i zapalane w celu wytworzenia gorących gazów spalinowych, które przepływają przez stopnie turbiny przy odbieraniu z nich energii do zasilania wentylatora i sprężarki.

Typowe silniki turbinowe dwuprzepływowe zawierają wielostopniową sprężarkę o osiowym przepływie, która spręża kolejno powietrze dla wytworzenia silnie sprężonego powietrza do spalania. Sprężone powietrze jest rozpraszane i zwalniane podczas sprężania. Łopatki kompresora muszą dlatego być zaprojektowane do zmniejszania rozdziału przepływu, który niekorzystnie wpływa na próg gaśnięcia silnika wskutek przeciążenia i wydajność.

Odwrotnie, gazy spalinowe są przyspieszane przez stopnie turbiny i łopatki turbin muszą mieć inny kształt aerodynamiczny w celu maksymalizowania wydajności odbioru energii.

Podstawową cechą w projektowaniu sprężarki jest wydajność sprężania powietrza z wystarczającym progiem gaśnięcia silnika wskutek przeciążenia w czasie trwania całego lotu od startu, poprzez lot do lądowania.

Jednak, wydajność sprężarki i próg gaśnięcia silnika wskutek przeciążenia są zwykle związane ze sobą i zwiększeniu wydajności odpowiada obniżenie progu gaśnięcia silnika wskutek przeciążenia. Przeciwstawne wymagania progu gaśnięcia silnika wskutek przeciążenia i wydajności są szczególnie istotne w silnikach do wysoko wymagających celów militarnych, w których pożądany jest wysoki próg gaśnięcia silnika wskutek przeciążenia kosztem wydajności sprężarki, co jest przeciwne do mniej wymagających zastosowań komercyjnych.

Wydajność łopatek sprężarki jest zwykle ograniczona w typowych sprężarkach poprzez wymagania odpowiedniego progu gaśnięcia silnika wskutek przeciążenia. Wzrost wydajności powoduje obniżenie progu gaśnięcia silnika wskutek przeciążenia i odwrotnie, wzrost progu gaśnięcia silnika wskutek przeciążenia powoduje zmniejszenie wydajności.

Wysoka wydajność jest zwykle uzyskiwana poprzez minimalizowanie powierzchni łopatki obmywanej na danym etapie, co zmniejsza opór łopatki. Jest to zwykle osiągane wskutek zmniejszenia zwartości lub gęstości łopatek wokół obwodu tarczy wirnika lub poprzez zwiększenie stosunku cięciwy łopatki do jej długości. Przy danej prędkości wirnika, zwiększenie wydajności obniża próg gaśnięcia silnika wskutek przeciążenia. W celu osiągnięcia wysokiego poziomu progu gaśnięcia silnika wskutek przeciążenia, może być zastosowana zwartość łopatki większa niż optymalna, przy jednoczesnym zaprojektowaniu łopatek z niższymi kątami wlotu. To zmniejsza wydajność sprężarki o osiowym przepływie. Podwyższony próg gaśnięcia silnika wskutek przeciążenia jest także uzyskiwany poprzez zwiększenie prędkości wirnika, ale to z kolei zmniejsza wydajność wskutek zwiększenia liczby Macha dla łopatki, co zwiększa opór łopatki.

Ponadto, łopatki sprężarki są poddawane naprężeniom odśrodkowym, co jest wynikiem aerodynamicznej konstrukcji. Maksymalne naprężenie musi być ograniczone dla uzyskania korzystnej trwałości łopatki, a to z kolei ogranicza możliwość zoptymalizowania właściwości aerodynamicznych.

Z opisu patentowego EP 0801230 znana jest ł opatka turbiny, której krawę d ź natarcia jest odchylona w kierunku jej osi stycznej do przodu od piasty lub stopki do maksymalnie odchylonego do przodu segmentu znajdującego się w przybliżeniu w połowie wysokości łopatki, od którego to miejsca krawędź natarcia jest prosta a następnie jest odchylona do tyłu. W pobliżu wierzchołka krawędź natarcia jest prosta i następnie jest wygięta do przodu do wierzchołka.

W opisie patentowym US 5044885 jest ujawniona ł opatka silnika turbogazowego, która ma część aerodynamiczną ukształtowana tak, że linia utworzona przez środki ciężkości kolejnych przekrojów poprzecznych łopatki pomiędzy jej stopką i końcówką jest krzywą posiadająca co najmniej jedną część prostą, która jest przesunięta stycznie w stosunku do promieniowej linii prostej zawartej w osiowej płaszczyźnie symetrii stopki łopatki i która stopniowo przechodzi w miejsce, w którym promieniowa linia prosta przecina połączenie łopatki z wirnikiem w stopce. Łopatka może mieć kształt, przy którym linia utworzona przez środki ciężkości kolejnych przekrojów poprzecznych ma także drugi prosty odcinek przesunięty względem pierwszej prostej części rozciągający się do końcówki łopatki.

PL 196 777 B1

Chociaż powyższe rozwiązania poprawiają wydajność łopatki, to jednak pożądane jest dalsze ulepszenie zarówno wydajności sprężarki i poziomu progu gaśnięcia silnika wskutek przeciążenia przy ograniczeniu naprężeń odśrodkowych dla polepszenia osiągnięć sprężarki silnika turbogazowego.

W niniejszym, „linia środków ciężkości przekrojów” okreś la linię utworzoną przez ś rodki ciężkości wszystkich przekrojów poprzecznych łopatki.

Termin „linia styczna” określa jeden z dwóch prostopadłych rzutów linii środków ciężkości przekrojów, a mianowicie rzut linii środków ciężkości na płaszczyznę równoległą do płaszczyzny osi stycznej do kierunku obrotu wirnika i osi promieniowej, przechodzącej przez środek obrotu wirnika.

Termin „linia wzdłużna” określa jeden z dwóch prostopadłych rzutów linii środków ciężkości przekrojów, a mianowicie rzut linii środków ciężkości na płaszczyznę równoległą do płaszczyzny osi wzdłużnej, zgodnej z kierunkiem przepływu powietrza i osi promieniowej, przechodzącej przez środek obrotu wirnika.

Kierunek „do przodu” jest określony jako kierunek zgodny z kierunkiem obrotu łopatki i tarczy.

Kierunek „do tyłu” jest określony jako kierunek przeciwny do kierunku obrotu łopatki i tarczy.

„Na zewnątrz” oznacza w niniejszym wystawanie w kierunku od stopki łopatki do końcówki łopatki.

„Do wewnątrz” oznacza w niniejszym wystawanie w kierunku od końcówki łopatki do stopki łopatki.

„Rozpiętość” łopatki oznacza jej długość od stopki do końcówki.

Według wynalazku, łopatka sprężarki, zwłaszcza do silnika turbogazowego, mającego tarczę wirnika z osiami wzdłużną, styczną i promieniową, zawierająca powierzchnię sprężającą i powierzchnię zasysającą usytuowane promieniowo od stopki do końcówki i osiowo pomiędzy krawędzią wlotu i krawędzią spływu, przy czym przekroje poprzeczne łopatki mają odpowiednie cięciwy i linie szkieletowe rozciągające się pomiędzy krawędzią wlotu i krawędzią spływu, a środki ciężkości kolejnych przekrojów poprzecznych tworzą linię środków ciężkości przekrojów, charakteryzuje się tym, że utworzona przez środki ciężkości kolejnych przekrojów poprzecznych linia środków ciężkości przekrojów jest podwójnie wygięta, a powierzchnia zasysająca jest wygięta wzdłuż krawędzi spływu w pobliżu stopki zmniejszając rozdzielanie przepływu w tym miejscu, przy czym dla linii środków ciężkości przekrojów są określone prostopadłe do siebie styczny rzut i wzdłużny rzut, z których styczny rzut ma pierwsze wygięcie posiadające początkowe nachylenie do przodu od stopki w kierunku powierzchni sprężającej, i drugie wygięcie połączone z pierwszym wygięciem i odchylone do tyłu w kierunku powierzchni zasysającej w pobliżu końcówki, a kąt przodowania przekrojów w pobliżu stopki jest zmienny, zaś powierzchnia zasysająca jest wygięta przy stopce dla zmniejszenia rozdzielenia przepływu.

W począ tkowym odcinku styczny rzut jest nachylony w kierunku obrotu ł opatki usytuowanej na tarczy wirnika, a w dalszym odcinku jest nachylony w kierunku przeciwnym do kierunku obrotu.

Krawędź spływu jest usytuowana w przybliżeniu jako normalna do stopki od strony powierzchni zasysającej a powyżej jest nachylona do tyłu.

Wygięcia pierwsze i drugie są usytuowane po przeciwnych stronach osi promieniowej przechodzącej przez stopkę łopatki.

Kąt przodowania zwiększa się od stopki do końcówki.

Linia środków ciężkości przekrojów ma kształt esowaty od stopki do końcówki.

Krawędź spływu ma kształt esowaty od stopki do końcówki.

W innej odmianie wynalazku, łopatka sprężarki, zwłaszcza do silnika turbogazowego, mającego tarczę wirnika z osiami wzdłużną, styczną i promieniową, zawierająca powierzchnię sprężającą i powierzchnię zasysającą usytuowane promieniowo od stopki do końcówki i osiowo pomiędzy krawędzią wlotu i krawędzią spływu, przy czym przekroje poprzeczne łopatki mają odpowiednie cięciwy i linie szkieletowe rozciągające się pomiędzy krawędzią wlotu i krawędzią spływu, a środki ciężkości kolejnych przekrojów poprzecznych tworzą linię środków ciężkości przekrojów, charakteryzuje się tym, że utworzona przez środki ciężkości kolejnych przekrojów poprzecznych linia środków ciężkości przekrojów jest wygięta, a powierzchnia zasysająca jest wygięta wzdłuż krawędzi spływu w pobliżu stopki zmniejszając rozdzielanie przepływu w tym miejscu, przy czym dla linii środków ciężkości przekrojów są określone prostopadłe do siebie styczny rzut i wzdłużny rzut, a jej styczny rzut jest wygięty podwójnie określając wygięcie powierzchni zasysającej wzdłuż krawędzi spływu w pobliżu stopki.

Wzdłużny rzut linii środków ciężkości przekrojów ma jedno wygięcie.

Linia środków ciężkości przekrojów i krawędź spływu mają kształt esowaty.

Krawędź spływu jest usytuowana w przybliżeniu jako normalna do stopki na powierzchni zasysającej.

Krawędź spływu jest nachylona od wygiętej powierzchni zasysającej do końcówki łopatki.

PL 196 777 B1

Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia część wirnika sprężarki silnika turbogazowego mającego wygięte łopatki według wynalazku, odchodzące promieniowo na zewnątrz od tarczy wieńca wirnika, w widoku izometrycznym, fig. 2 jedną łopatkę z fig. 1 w widoku izometrycznym od tyłu do przodu i wzdłuż linii 2-2 w płaszczyźnie stycznej i promieniowej, fig. 3 - jedną łopatkę z fig. 1 w widoku z boku i wzdłuż linii 3-3 rozciągniętą obwodowo w płaszczyźnie osiowej i promieniowej, fig. 4 - łopatkę z fig. 3 w widoku z góry w kierunku 4-4 z fig. 3, fig. 5 - przebieg przykładowej linii środków ciężkości przekrojów łopatki przedstawionej na fig. 1-4.

Na fig. 1 przedstawiono część pierścieniowego wieńca 10 wirnika stanowiącego jeden stopień wielostopniowej sprężarki silnika turbogazowego. Wieniec 10 zawiera wiele rozmieszczonych z odstępami na obwodzie łopatek 12 wystających promieniowo na zewnątrz od obrzeża integralnej tarczy 14 wirnika i tworzących jednolity jednoczęściowy zespół. Wieniec 10 może być wytworzony przy użyciu typowego walcowania i obróbki elektrochemicznej.

Alternatywnie, w innym przykładzie, łopatki mogą być ukształtowane z integralnymi wczepami płetwiastymi do rozłącznego mocowania w odpowiednich płetwiastych szczelinach w obwodzie nieciągłej tarczy wirnika.

Podczas działania, wieniec obraca się przykładowo w kierunku ruchu wskazówek zegara przedstawionym na fig. 1 w celu sprężania powietrza 16 przepływającego pomiędzy sąsiednimi łopatkami 12. Łopatki 12 mają aerodynamiczny profil w celu maksymalizowania wydajności sprężania powietrza przy jednoczesnym zapewnieniu odpowiednio wysokiego progu gaśnięcia silnika wskutek przeciążenia do zwiększania osiągnięć sprężarki. Wieniec 10 przedstawiony na fig. 1 jest tylko jednym z wielu stopni łopatek wirnika, które mogą być ukształtowane zgodnie z obecnym wynalazkiem dla zwiększania osiągnięć sprężarki poprzez wzrost zarówno wydajności jak i progu gaśnięcia silnika wskutek przeciążenia przy dopuszczalnych granicach naprężeń odśrodkowych.

Pomimo typowego kompromisu pomiędzy wydajnością aerodynamiczną i progiem gaśnięcia silnika wskutek przeciążenia, nowoczesne oprogramowanie komputerowe jest w stanie rozwiązać trójwymiarowe (3D) równania przepływu płynu lepkiego w celu określenia osiągnięć łopatki. Uzyskane łopatki zwykle mają ukształtowanie trójwymiarowe, które różni je od łopatek znanych mających bardzo nieznacznie zmieniający się przekrój promieniowy na ich rozpiętości.

Przedstawiona na fig. 1 łopatka jest w szczególny sposób podwójnie wygięta w rezultacie analizy trójwymiarowej i odznacza się polepszoną wydajnością i progiem gaśnięcia silnika wskutek przeciążenia, wcześniej niemożliwym.

Tarcza 14 wirnika ma trzy prostopadłe osie obejmujące wzdłużną oś X, styczną lub obwodową oś Y i promieniową oś Z. Wzdłużna oś X rozciąga się do przodu w kierunku przepływu powietrza 16 przez sprężarkę. Styczna oś Y jest usytuowana w kierunku obrotu tarczy 14 i łopatek 12. Promieniowa oś Z rozciąga się promieniowo na zewnątrz od obrzeża tarczy 14 dla każdej z łopatek 12.

Każda łopatka 12 zawiera ogólnie wklęsłą powierzchnię sprężającą 18 i ogólnie wypukłą powierzchnię zasysającą 20 rozciągające się promieniowo lub wzdłużnie od stopki 22 integralnie połączonej z obrzeżem tarczy 14 do promieniowo zewnętrznej końcówki 24. Te dwie powierzchnie sprężająca 18 i zasysająca 20 rozciągają się po cięciwie lub osiowo pomiędzy krawędzią wlotu 26 i krawędzią spływu 28 od stopki 22 do końcówki 24.

Według wynalazku, powierzchnia zasysająca 20 łopatki 12 jest wygięta bocznie lub stycznie wzdłuż krawędzi spływu 28 w pobliżu stopki 22 na przecięciu z obrzeżem tarczy 14. Rozdzielenie przepływu powietrza w tym miejscu może być znacznie zmniejszone lub wyeliminowane w celu zwiększenia wydajności łopatki 12 i polepszenia progu gaśnięcia silnika wskutek przeciążenia.

Krawędź spływu 28 powierzchni zasysającej 20 jest wygięta początkowo tylko w kierunku stycznym, jak przedstawiono na fig. 2. W widoku z boku w płaszczyźnie X-Z osi wzdłużnej i promieniowej przedstawionym na fig. 3 powierzchnia zasysająca 20 jest niewidoczna. Jednak, łopatka 12 może także być wygięta jak przedstawiono na fig. 3 dla dalszego polepszenia osiągnięć, co zostanie dalej omówione.

Łopatka 12 przedstawiona na fig. 1-3 jest określona poprzez wiele promieniowo lub wzdłużnie przylegających do siebie poprzecznych przekrojów, z których jeden jest przedstawiony na fig. 4 każdy przekrój ma aerodynamiczny profil określony przez odpowiednie części powierzchni sprężającej 18 i zasysającej 20 rozciągające się pomiędzy krawędziami wlotu 26 i spływu 28. Każ dy profil jest zdefiniowany za pomocą prostej cięciwy 30 rozciągającej się osiowo pomiędzy krawędziami wlotu 26

PL 196 777 B1 i spł ywu 28 i ł ukowa linia szkieletowa 32, która jest linią ś rodkową równooddalona od zarysów powierzchni sprężającej 18 i zasysającej 20 od krawędzi wlotu 26 do krawędzi spływu 28.

Łopatka 12 kompresora zwykle jest skręcona od stopki 22 do końcówki 24 w celu maksymalizowania osiągnięć kompresora. Skręt jest określony poprzez kąt przodowania A mierzony pomiędzy cięciwą 30 i osią wzdłużną X na krawędzi wlotu 26, na przykład dla każdego przekroju promieniowego. Przodowanie płata zwykle zwiększa się od stopki 22 do końcówki 24 i jest większe w końcówce 24 niż w stopce 22.

Każdy przekrój łopatki 12 ma środek ciężkości 34, który jest usytuowany promieniowo na wzdłużnej rozpiętości łopatki 12 na linii środków ciężkości przekrojów 36 przedstawionej na fig. 1, która jest korzystnie podwójnie wygięta w kierunku stycznym zgodnie z inną cechą obecnego wynalazku. Linia środków ciężkości przekrojów 36 w połączeniu z kształtami odpowiadających przekrojów łopatki 12 obejmujących ich cięciwy 30 i linie szkieletowe 32 umożliwia trójwymiarowe określenie łopatki 12 dla zwiększenia osiągnięć według obecnego wynalazku.

Bardziej szczegółowo, linia środków ciężkości przekrojów 36 przedstawiona na fig. 1 ma dwa prostopadłe rzuty obejmujące styczny rzut 36a na płaszczyznę wyznaczoną osiami Y i Z, pokazany na fig. 2 i 5 i wzdłużny rzut 36b na płaszczyznę wyznaczoną osiami X i Z, pokazany na fig. 3. Styczny rzut 36a jest nieliniowy lub wygięty w pobliżu stopki 22 wskutek czego powierzchnia zasysająca 20 łopatki 12 w pobliż u stopki 22 i przy krawę dzi spł ywu 28 jest wygię ta.

Jak pokazano na fig. 1 i 5, styczny rzut 36a linii środków ciężkości przekrojów 36 ma pierwsze wygięcie 38 posiadające początkowe pochylenie do przodu, to jest w kierunku obrotu łopatek i tarczy od stopki 22 do powierzchni sprężającej 18 łopatki 12. Pierwsze wygięcie 39 następnie przechodzi w pochylenie do tył u w kierunku promieniowej osi Z.

Styczny rzut 36a również posiada drugie wygięcie 40, które ma pochylenie do tyłu po przejściu tej stycznej składowej 36a poza oś promieniową Z od pierwszego wygięcia 38 w kierunku przeciwnym do obrotu łopatek 12 i tarczy 14, w kierunku powierzchni zasysającej 20 w pobliżu końcówki 24. Drugie wygięcie 40 następnie jest odwrócone w kierunku osi promieniowej Z. Odpowiednio, kąt przodowania A przekrojów poprzecznych łopatki 12, w pobliżu stopki 22, zmienia się z kolei powodując wygięcie powierzchni zasysającej 20 wzdłuż krawędzi spływu 28 na powierzchni zasysającej 20.

Podwójne wygięcie stycznego rzutu 36a linii środków ciężkości przekrojów ma więc ogólnie kształt litery S, a odpowiednie kształty przekrojów poprzecznych są dobrane do zmniejszenia lub wyeliminowania rozdzielania przepływu powietrza wzdłuż powierzchni zasysającej 20 w pobliżu piasty łopatki 12, przy jednoczesnym zmniejszeniu także naprężeń odśrodkowych. Na przykład, krawędź spływu 28 także ma ogólnie kształt esowaty od stopki 22 do końcówki 24.

Linia środków ciężkości przekrojów 36 w kształcie litery S zapewnia orientację krawędzi spływu 28, jak przedstawiono na fig. 1 i 2, zasadniczo normalną do stopki wygiętej powierzchni zasysającej 20 i jej pochylenie do tyłu powyżej. Krawędź spływu 28 przecina obrzeże lub platformę tarczy wirnika pod kątem przecięcia B, który w przeciwnym razie byłby znacznie bardziej ostry, gdyby krawędź spływu 28 nie była wygięta. Analiza komputerowa wskazuje, że ostre kąty przecięcia B krawędzi spływu 28 sprzyjają rozdzieleniu przepływu przy piaście, co obniża wydajność łopatki 12. Wygięcie powierzchni zasysającej 20 zmniejsza ostrość kąta przecięcia B i odpowiednio obniża rozdział przepływu przy towarzyszącym wzroście wydajności.

Jednak, ponieważ łopatka 12 jest konstrukcją trójwymiarową, jej różne przekroje są powiązane ze sobą aerodynamicznie i mechanicznie w sposób kompleksowy. Odpowiednio, kształt i ilość stycznych pochyleń w pierwszym wygięciu 38 w kierunku obrotu jest korzystnie regulowana przez analizę aerodynamiczną w celu wyeliminowania lub zmniejszenia rozdziału przepływu na krawędzi spływu. Pierwsze wygięcie 38 odpowiednio także przesuwa maksimum naprężenia odśrodkowego od stopki 22 łopatki 12 do przekrojów łopatki 12 w pierwszym wygięciu 38.

W celu zmniejszenia napręże ń odś rodkowych w obszarze pierwszego wygię cia 38, korzystnie stosuje się analizę mechaniczną lub analizę naprężeń do regulacji pozostałego stycznego zarysu linii środków ciężkości przekrojów 36 w jej przejściu poza pierwszym wygięciem 38 w kierunku przeciwnym do obrotu. Naprężenie odśrodkowe przy stopce 22 i w obszarze pierwszego wygięcia 38 może być zmniejszone poprzez wprowadzenie drugiego wygięcia 40, które wychyla linię środków ciężkości przekrojów 36 ponownie w kierunku obrotu w obszarze końcówki 24 łopatki 12.

Wygięcia pierwsze 38 i drugie 40 są usytuowane po przeciwnych stronach promieniowej osi Z przechodzącej przez środek ciężkości stopki 22 łopatki 12 w celu ograniczenia maksimum naprężeń odśrodkowych przy maksymalizowaniu osiągnięć aerodynamicznych w stopce 22. Oba wygięcia 38, 40

PL 196 777 B1 mają punkty zwrotne, w których linia środków ciężkości przekrojów 36 zmienia kierunek ze skierowanego do przodu i skierowanego do tyłu. Drugie wygięcie 40 może przechodzić do tyłu przez oś promieniową Z jeżeli jest to wymagane dla dalszego zmniejszenia naprężeń odśrodkowych w pobliżu stopki 22.

Linia środków ciężkości przekrojów 36 umożliwia więc rozwój obciążeń odśrodkowych podczas działania do lekkiego wyprostowania łopatki 12 i wprowadzenia lokalnych naprężeń ściskających i zginających, które lokalnie przesuwają odśrodkowe naprężenia rozciągające.

Odpowiednio, korzystnie wygięta łopatka 12 zmniejsza rozdzielanie przepływu przy stopce 22 i jest ograniczona tylko stopniem wygię cia wygię tej osi promieniowej, który podczas dzia ł ania moż e być nadany przy akceptowanych naprężeniach zginających. Zewnętrzne drugie wygięcie 40 umożliwia zastosowanie większego pierwszego wygięcia 38. Poprawiony przepływ powietrza przy stopce 22 zwiększa wydajność łopatki 12 bez pogarszania progu gaśnięcia silnika wskutek przeciążenia przy akceptowalnych granicach naprężeń.

Aerodynamiczny kąt skosu jest typowym parametrem do oceny osiągnięć łopatki sprężarki. Tylny kąt skosu może być ograniczony poprzez ukształtowanie krawędzi wlotu 26 łopatki 12 z częścią jej długości promieniowo zewnętrzną zawierającą końcówkę 24 współpłaszczyznową z osią, jak pokazano na fig. 3. Pozostała część promieniowo wewnętrzna krawędzi wlotu 26 jest nachylona osiowo do przodu od części zewnętrznej do stopki 22.

Figura 3 przedstawia widok łopatki 12 od powierzchni zasysającej 20 i ukazuje prostą część zewnętrzną krawędzi wlotu 26, która jest korzystnie usytuowana w stałym osiowym położeniu. Część wewnętrzna krawędzi wlotu 26 jest nachylona do przodu przy zbliżaniu się stopki 22 łopatki 12 do promieniowej linii przedstawionej linią przerywaną. Aerodynamiczny tylny kąt skosu łopatki 12 jest więc ograniczony na krawędzi wlotu 26 od stopki 22 do końcówki 24 łopatki 12.

Figura 3 przedstawia widok osiowy łopatki 12 od powierzchni zasysającej 20 i pokazuje prostą część zewnętrzną krawędzi wlotu 26, która jest korzystnie usytuowana w stałym osiowym położeniu. Część wewnętrzna krawędzi wlotu 26 jest pochylona do przodu przy stopce 22 łopatki 12 względem promieniowej linii przedstawionej jako linia przerywana. Tylny aerodynamiczny kąt skosu łopatki 12 jest więc ograniczony na krawędzi wlotu 26 od stopki 22 do końcówki 24 łopatki.

Tylny aerodynamiczny kąt skosu może być dodatkowo ograniczony poprzez korzystne ukształtowanie krawędzi spływu 28 łopatki 12, jak przedstawiono na fig. 3. Wzdłużny rzut 36b linii środków ciężkości przekrojów 36 w połączeniu z odpowiednią długością cięciwy może być zastosowany do regulacji ukształtowania krawędzi spływu 28. W korzystnym przykładzie wykonania przedstawionym na fig. 3, krawędź spływu 28 ma część wewnętrzną, obejmująca stopkę 22, współpłaszczyznową z osią i część zewnętrzną nachyloną osiowo do przodu do końcówki 24 od części wewnętrznej.

Ponieważ linia środków ciężkości przekrojów 36 ma rzuty styczny 36a i wzdłużny 36b, ten styczny rzut 36a może być stosowany do określenia wygiętej powierzchni zasysającej 20 w pobliżu krawędzi spływu 28 i stopki 22, jak przedstawiono na fig. 1 i 2 dla korzyści wskazanych powyżej. Odpowiednio, wzdłużny rzut może być dobrany do ograniczenia tylnego kąta skosu obu krawędzi wlotu 26 i spływu 28, jak przedstawiono na fig. 3. Linia środków ciężkości przekrojów 36 jest ukształtowana odpowiednio do kształtów poszczególnych przekrojów poprzecznych łopatki 12 z uwzględnieniem rozkładów długości cięciw 30 i wygięcia linii szkieletowej 32.

Odpowiednio, dwa rzuty 36a, 36b wygiętej linii środków ciężkości przekrojów 36 i kształt przekrojów poprzecznych łopatki 12 korzystnie dodatkowo koryguje się w oparciu o analizę trójwymiarową przepływu płynu lepkiego w celu zwiększenia wydajności łopatki 12 i progu gaśnięcia silnika wskutek przeciążenia wynikających z trójwymiarowego ukształtowania przedstawionego na figurach.

Stopień wygięcia powierzchni zasysającej 20 i esowatej linii przekrojów poprzecznych 36 jest regulowane w różnych kombinacjach w celu zmiany korzyści wskutek zwiększenia aerodynamicznych osiągnięć i zmniejszenia naprężeń odśrodkowych. Łopatka 12 jest więc projektowana poprzez analizę komputerową, umożliwiającą określenie prawdziwych trójwymiarowych jej wymiarów dających pożądane osiągnięcia łopatki.

Chociaż opisano w niniejszym obecny wynalazek na podstawie korzystnych przykładów wykonania, na podstawie ujawnienia znawcy w tej dziedzinie mogą dostrzec możliwości licznych modyfikacji, które są objęte załączonymi zastrzeżeniami o ile mieszczą się w istocie i zakresie wynalazku.

PL 196 777 B1

Claims (12)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Ł opatka sprężarki, zwł aszcza do silnika turbogazowego, mają cego tarczę wirnika z osiami wzdłużną, styczną i promieniową, zawierająca powierzchnię sprężającą i powierzchnię zasysającą usytuowane promieniowo od stopki do końcówki i osiowo pomiędzy krawędzią wlotu i krawędzią spływu, przy czym przekroje poprzeczne łopatki mają odpowiednie cięciwy i linie szkieletowe rozciągające się pomiędzy krawędzią wlotu i krawędzią spływu, a środki ciężkości kolejnych przekrojów poprzecznych tworzą linię środków ciężkości przekrojów, znamienna tym, że utworzona przez środki ciężkości (34) kolejnych przekrojów poprzecznych linia środków ciężkości przekrojów (36) jest podwójnie wygięta, a powierzchnia zasysająca (20) jest wygię ta wzdłuż krawędzi spływu (28) w pobliżu stopki (22) zmniejszając rozdzielanie przepływu w tym miejscu, przy czym dla linii środków ciężkości przekrojów (36) są określone prostopadłe do siebie styczny rzut (36a) i wzdłużny rzut (36b), z których styczny rzut (36a) ma pierwsze wygięcie (38) posiadające początkowe nachylenie do przodu od stopki (22) w kierunku powierzchni sprężającej (18), i drugie wygięcie (40) połączone z pierwszym wygięciem (38) i odchylone do tyłu w kierunku powierzchni zasysającej (20) w pobliżu końcówki (24), a kąt przodowania (A) przekrojów w pobliżu stopki (12) jest zmienny, zaś powierzchnia zasysająca (20) jest wygięta przy stopce (22) dla zmniejszenia rozdzielenia przepływu.
2. 2. Łopatka sprężarki według zastrz. 1, znamienna tym, że w początkowym odcinku styczny rzut (36a) jest nachylony w kierunku obrotu łopatki (14) usytuowanej na tarczy (14) wirnika, a w dalszym odcinku jest nachylony w kierunku przeciwnym do kierunku obrotu.
3. 3. Ł opatka sprężarki według zastrz. 1, znamienna tym, że krawędź spływu (28) jest usytuowana w przybliżeniu jako normalna do stopki (22) od strony powierzchni zasysającej (20) a powyżej jest nachylona do tyłu.
4. 4. Łopatka sprężarki według zastrz. 1, znamienna tym, ż e wygięcia pierwsze (38) i drugie (40) są usytuowane po przeciwnych stronach osi promieniowej (Z) przechodzącej przez stopkę (22) łopatki (12).
5. 5. Łopatka sprężarki według zastrz. 1, znamienna tym, że kąt przodowania (A) zwiększa się od stopki (22) do końcówki (24).
6. 6. Łopatka sprężarki według zastrz. 1, znamienna tym, że linia środków ciężkości przekrojów (36) ma kształt esowaty od stopki (22) do końcówki (24).
7. 7. Łopatka sprężarki według zastrz. 1, znamienna tym, że krawędź spływu (28) ma kształt esowaty od stopki (22) do końcówki (24).
8. 8. Ł opatka sprężarki, zwł aszcza do silnika turbogazowego, mają cego tarczę wirnika z osiami wzdłużną, styczną i promieniową, zawierająca powierzchnię sprężającą i powierzchnię zasysającą usytuowane promieniowo od stopki do końcówki i osiowo pomiędzy krawędzią wlotu i krawędzią spływu, przy czym przekroje poprzeczne łopatki mają odpowiednie cięciwy i linie szkieletowe rozciągające się pomiędzy krawędzią wlotu i krawędzią spływu, a środki ciężkości kolejnych przekrojów poprzecznych tworzą linię środków ciężkości przekrojów, znamienna tym, że utworzona przez środki ciężkości (34) kolejnych przekrojów poprzecznych linia środków ciężkości przekrojów (36) jest wygięta, a powierzchnia zasysająca (20) jest wygięta wzdłuż krawędzi spływu (28) w pobliżu stopki (22) zmniejszając rozdzielanie przepływu w tym miejscu, przy czym dla linii środków ciężkości przekrojów (36) są określone prostopadłe do siebie styczny rzut (36a) i wzdłużny rzut (36b), a styczny rzut (36a) jest wygięty podwójnie określając wygięcie powierzchni zasysającej (20) wzdłuż krawędzi spływu (28) w pobliżu stopki (22).
9. 9. Ł opatka sprężarki wedł ug zastrz. 8, znamienna tym, ż e wzdł u ż ny rzut (36b) linii ś rodków ciężkości przekrojów (36) ma jedno wygięcie.
10. 10. Łopatka sprężarki według zastrz. 9, znamienna tym, że linia środków ciężkości przekrojów (36) i krawędź spływu (28) mają kształt esowaty.
11. 11. Łopatka sprężarki według zastrz. 10, znamienna tym, że krawędź spływu (28) jest usytuowana w przybliżeniu jako normalna do stopki (22) na powierzchni zasysającej (20).
12. 13. Łopatka sprężarki według zastrz. 11, znamienna tym, że krawędź spływu (28) jest nachylona od wygiętej powierzchni zasysającej (20) do końcówki (24) łopatki (12).