RU2734624C1

RU2734624C1 - Compressor blade, fan or turbine blade

Info

Publication number: RU2734624C1
Application number: RU2018116405A
Authority: RU
Inventors: Эдуард Васильевич Ольховский
Original assignee: Эдуард Васильевич Ольховский
Priority date: 2018-05-03
Filing date: 2018-05-03
Publication date: 2020-10-21
Also published as: WO2019212384A1

Abstract

FIELD: gas turbine engines; steam turbines.

SUBSTANCE: invention relates to design of fans, axial compressors and gas or steam turbines. Disclosed is a compressor, fan or turbine blade having a lower edge and an upper edge, wherein the lower or upper edge is made with a convex profile curvature, according to invention at blind edge of blade there are blind holes perpendicular to chord or inclined towards flow.

EFFECT: invention is aimed at increasing the efficiency of the blade.

1 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области двигателестроения газотурбинных двигателей, вентиляторов, турбин, как самих газотурбинных двигателей, так и паровых турбин.The invention relates to the field of engine construction of gas turbine engines, fans, turbines, both the gas turbine engines themselves and steam turbines.

Известна рабочая лопатка вентилятора или компрессора патент US №6071077, МПК F04D 29/34, перо которой имеет входную кромку с углом наклона образующей к радиальной оси, изменяющийся по высоте лопатки от ее втулочного сечения до периферийного. Недостатком является неблагоприятный характер колебаний и пониженная степень аэродинамического демпфирования.Known rotor blade of a fan or compressor US patent No. 6071077, IPC F04D 29/34, the feather of which has an entrance edge with an angle of inclination of the generatrix to the radial axis, varying along the height of the blade from its sleeve section to the peripheral. The disadvantages are the unfavorable nature of the vibrations and the reduced degree of aerodynamic damping.

Известна рабочая лопатка вентилятора или компрессора патент РФ №2381388, МПК F04D 29/38, в котором техническим результатом является изменение характера колебаний, снижение уровня динамических напряжений в них и улучшение аэродинамических и акустических характеристик. Общим недостатком обоих изобретений является незначительное увеличение эффективности рабочих лопаток.Known rotor blade of a fan or compressor RF patent No. 2381388, IPC F04D 29/38, in which the technical result is a change in the nature of vibrations, a decrease in the level of dynamic stresses in them and an improvement in aerodynamic and acoustic characteristics. A common disadvantage of both inventions is a slight increase in the efficiency of the rotor blades.

Предлагаемый способ повышения эффективности рабочей лопатки вентилятора, компрессора или турбины позволяет не только значительно увеличить степень сжатия в каждой ступени или осуществить отбор энергии, но и уменьшить сопротивление потоку и нагрев воздуха в результате улучшения условий обтекания.The proposed method for increasing the efficiency of the rotor blade of a fan, compressor or turbine allows not only to significantly increase the compression ratio in each stage or to take off energy, but also to reduce the resistance to flow and heating of the air as a result of improving the flow conditions.

Целью изобретения является создание рабочей лопатки вентилятора, компрессора или турбины, которая имеет лучший КПД и высокое аэродинамическое качество. Поставленная цель достигается тем, что на нижней кромке лопатки создается система глухих отверстий, перпендикулярных хорде или наклоненных в сторону движения потока. Отверстия могут быть круглыми, эллипсоидными, коническими с основанием на нижнюю кромку, пирамидальными с основанием на нижнюю кромку или квадратными. Во всех случаях эффективность системы определяется отношением длины отверстий к площади сечения или средней площади сечения. Чем больше длина в «калибрах», тем выше эффективность отверстий. Эжектируемый движением потока, обтекающего нижнюю кромку лопатки, воздух, газ или пар отсасывается из заглушенных отверстий, тем самым снижая давление в отверстиях. Реакция среды на пустоты создает давление на нижнюю кромку, которое значительно превышает давление, вызванное разностью скоростей обтекания верхней и нижней кромки. Таким образом, подъемная сила создается не за счет разности скоростей потока, а за счет реакции среды на пустоты и так как она в несколько раз превышает подъемную силу стандартной лопатки, то при сложении она является основной результирующей подъемной силой.The aim of the invention is to provide a rotor blade of a fan, compressor or turbine, which has the best efficiency and high aerodynamic quality. This goal is achieved by the fact that a system of blind holes is created on the lower edge of the blade, perpendicular to the chord or inclined towards the direction of flow. The holes can be round, ellipsoidal, tapered with a base on the bottom edge, pyramidal with a base on the bottom edge, or square. In all cases, the efficiency of the system is determined by the ratio of the length of the holes to the area or the average area. The longer the length in "calibers", the higher the efficiency of the holes. Ejected by the movement of the flow past the lower edge of the blade, air, gas or steam is sucked out of the plugged holes, thereby reducing the pressure in the holes. The reaction of the medium to the voids creates a pressure on the lower edge, which is significantly higher than the pressure caused by the difference in flow velocities around the upper and lower edges. Thus, the lifting force is created not due to the difference in flow velocities, but due to the reaction of the medium to the voids, and since it is several times higher than the lifting force of a standard blade, then, when added, it is the main resultant lifting force.

Управление эффективностью (ее изменение) осуществляется изменением угла атаки лопатки на положительные или отрицательные углы.Efficiency control (its change) is carried out by changing the angle of attack of the blade at positive or negative angles.

При использовании обычной аэродинамической схемы лопатки с характерной кривизной на верхней кромке лопатки, увеличение подъемной силы происходит с увеличением угла атаки лопатки. На ней как обычно возникает разница давлений за счет разности скоростей обтекания и вызванная этой разностью подъемная сила, направленная вверх. Нижняя кромка, снабженная в большом количестве наклоненными в сторону движения потока глухими отверстиями, также обтекается набегающим потоком и за счет эжекторного эффекта в отверстиях создается разрежение, которое увеличивается с увеличением угла атаки, так как увеличивается угол эжектирования.When using the conventional aerodynamic design of the blade with a characteristic curvature at the upper edge of the blade, an increase in lift occurs with an increase in the angle of attack of the blade. On it, as usual, there is a pressure difference due to the difference in flow velocities and the lifting force caused by this difference, directed upward. The lower edge, equipped with a large number of blind holes inclined in the direction of the flow, is also flown around by the oncoming flow and, due to the ejector effect, a vacuum is created in the holes, which increases with increasing angle of attack, since the ejection angle increases.

При варианте «перевернутой лопатки», то есть когда характерная кривизна находится на нижней кромке лопатки, и также на нижней кромке расположено большое количество глухих отверстий, перпендикулярных хорде или наклоненных в сторону потока, увеличение подъемной силы происходит при увеличении отрицательных углов атаки до срыва потока. Это происходит потому, что на нижней кромке за счет характерной кривизны при увеличении отрицательного угла атаки возрастает по сравнению с верхней кромкой скорость обтекания в пограничном слое и тем самым резко возрастает эжекторный эффект. Так как подъемная сила «перевернутой лопатки», создаваемая за счет разности обтекания потоками верхней и нижней кромок направлена в этом случае вниз, то при векторном сложении с результирующей силой, возникающей в глухих отверстиях, она вычитается из нее. Результирующая сила больше и тем самым мы получаем выигрыш в общей силе. Это можно использовать при малых скоростях обтекания лопаток на компрессорах или на турбинах низкого давления для увеличения КПД.In the case of an inverted blade, that is, when the characteristic curvature is at the lower edge of the blade, and also at the lower edge there are a large number of blind holes perpendicular to the chord or inclined towards the flow, an increase in lift occurs with an increase in negative angles of attack until the flow stalls. This is because at the lower edge, due to the characteristic curvature, with an increase in the negative angle of attack, the flow velocity in the boundary layer increases in comparison with the upper edge, and thus the ejection effect sharply increases. Since the lifting force of the "inverted blade" created due to the difference in the flow around the upper and lower edges is directed downward in this case, then it is subtracted from it in the vector addition with the resulting force arising in the blind holes. The resulting strength is greater and thus we gain a gain in overall strength. This can be used at low blade velocities on compressors or low-pressure turbines to increase efficiency.

Работа лопатки иллюстрируется с помощью чертежей:The work of the blade is illustrated using the drawings:

На фиг. 1 показана описываемая лопатка;FIG. 1 shows the described blade;

На фиг. 2 – вариант с выпуклой кривизной на верхней кромке;FIG. 2 - variant with convex curvature at the upper edge;

На фиг. 3 – вариант с выпуклой кривизной на нижней кромке.FIG. 3 - a variant with a convex curvature at the lower edge.

Описываемая лопатка 1 с глухими отверстиями 2 имеет нижнюю кромку 3 и верхнюю кромку 4.The described blade 1 with blind holes 2 has a lower edge 3 and an upper edge 4.

Лопатка работает следующим образом. Для увеличения эффективности лопатки 1 она снабжена глухими отверстиями 2, расположенными на нижней кромке лопатки 3 перпендикулярно хорде или с наклоном в сторону потока. Нижняя кромка 3 лопатки обдувается набегающим потоком, при этом из отверстий 2 отсасывается (эжектируется) воздух, образуя суммарную зону пониженного давления. Чем больше угол атаки лопатки, тем больше эжектирующий эффект за счет большей скорости обтекания и соответственно больших углов эжектирования. Зоной создания подъемной силы лопатки с помощью глухих отверстий теоретически можно считать от 0 градусов до зоны срыва потока - это зависит от скорости набегающего потока и формы лопатки. Формирование подъемной силы зависит от глубины глухих отверстий, диаметра отверстий или их средней площади, их наклона по потоку, суммарной площади отверстий на нижней кромке, скорости потока и его угла по отношению к нижней кромке.The scapula works as follows. To increase the efficiency of the blade 1, it is equipped with blind holes 2 located on the lower edge of the blade 3 perpendicular to the chord or inclined towards the flow. The lower edge 3 of the blade is blown by the oncoming flow, while air is sucked out (ejected) from the holes 2, forming a total zone of reduced pressure. The larger the angle of attack of the blade, the greater the ejection effect due to the higher flow velocity and, accordingly, large ejection angles. The zone for creating the lift force of the blade with the help of blind holes can theoretically be considered from 0 degrees to the stall zone - this depends on the speed of the incoming flow and the shape of the blade. The formation of the lift depends on the depth of the blind holes, the diameter of the holes or their average area, their inclination downstream, the total area of the holes on the lower edge, the flow velocity and its angle with respect to the lower edge.

Так как эффективность лопатки формируется за счет эжекции воздуха, газа или пара из отверстий, нижняя кромка имеет суммарное давление, вызванное реакцией среды на пустоты, существенно больше верхней и создает существенно большую подъемную силу по отношению к обычной лопатке на тех же скоростях и углах атаки соответственно в минусовую и плюсовую сторону.Since the efficiency of a blade is formed due to the ejection of air, gas or steam from the holes, the lower edge has a total pressure caused by the reaction of the medium to the voids, is significantly higher than the upper one and creates a significantly greater lifting force in relation to a conventional blade at the same speeds and angles of attack, respectively in the minus and plus sides.

Таким образом, использование изобретения позволяет достичь существенного выигрыша в энергетике вентилятора, компрессора или отбора мощности в турбине за счет создания значительно большей подъемной силы при одинаковых затратах энергии.Thus, the use of the invention makes it possible to achieve a significant gain in the energy of a fan, compressor or power take-off in a turbine due to the creation of a significantly greater lift at the same energy consumption.

Claims

A compressor, fan or turbine blade having a lower edge and an upper edge, while the lower or upper edge is made with a convex profile curvature, characterized in that blind holes are made on the lower edge of the blade, perpendicular to the chord or inclined towards the flow.