RU2789369C2 - Профилированная конструкция для летательного аппарата или газотурбинного двигателя - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к профилированной конструкции, удлиненной в направлении, в котором конструкция имеет длину, обдуваемую воздушным потоком, и поперечно к которому конструкция содержит переднюю кромку (164) и/или заднюю кромку, по меньшей мере одна из которых выполнена профилированной и имеет в указанном направлении удлинения зубчатости (28а), образованные следующими друг за другом зубцами (30) и впадинами (32). Вдоль профилированной(ых) передней кромки и/или задней кромки следующие друг за другом зубцы (30) и впадины (32) выполнены только на части указанной длины, обдуваемой воздушным потоком, на которой амплитуда и/или промежуток между зубцами меняются монотонно, за исключением нескольких зубцов, ближайших к каждому концу указанной части, при этом остальная часть (280) указанной длины является гладкой. Изобретение обеспечивает снижение шума, уменьшение аэродинамических потерь, снижение механических напряжений. 3 н. и 11 з.п. ф-лы, 25 ил.

Description

Данное изобретение относится к области аэроакустического контроля конструкций, профилированных с точки зрения аэродинамики, или профилей аэродинамических элементов, например, таких как неподвижные лопатки или рабочие лопатки в газотурбинном двигателе для летательного аппарата или на стенде проведения испытаний таких газотурбинных двигателей, или на носке воздухозаборника воздушного потока первого контура газотурбинного двигателя.

Такой тип неподвижной лопатки представлен, например, лопатками выходного спрямляющего аппарата (ВСА) вентилятора или спрямляющими лопатками, расположенными за рабочей ступенью для спрямления воздушного потока.

Такой тип рабочей лопатки представлен, например, на рабочем лопаточном колесе в газотурбинном двигателе, например, таком как вентилятор или не капотированное колесо.

Таким образом, изобретение касается как капотированных газотурбинных двигателей (турбовентиляторные двигатели), так и не капотированных газотурбинных двигателей (open rotors). Пример будет представлен для двухконтурного газотурбинного двигателя с (передним) вентилятором и спрямляющим аппаратом, расположенным в проточном тракте второго контура.

В частности, в турбореактивных двигателях Ultra-High Bypass Ratio (UHBR: конфигурация двигателя с капотированным вентилятором и с очень высокой степенью двухконтурности, превышающей 15), было предложено увеличить диаметр вентилятора и уменьшить длину гондолы подвески на летательном аппарате, что приводит к уменьшению расстояния между вентилятором и лопатками входного направляющего аппарата (ВНА) компрессоров, лопатками ВСА и носком воздухозаборника потока первого контура. В двигателе этого типа взаимодействие выходной струи вентилятора с лопатками ВНА, лопатками ВСА и носком является одним из источников преобладающего шума.

Кроме этого отмеченного недостатка в газотурбинном двигателе, другие зоны газотурбинных двигателей, а также аэродинамически профилированные конструкции (крылья, лопатки open rotor - открытый ротор, пилон, и т.д.) сталкиваются с аэроакустической проблемой взаимодействия с воздушным потоком.

Поэтому в области летательных аппаратов было предложено использовать аэродинамически профилированные конструкции, содержащие профилированную переднюю и/или заднюю кромку, которые имеют вдоль линии передней и/или задней кромки профиль в виде зубчатостей, имеющий последовательные зубцы и впадины.

Таким образом, этот зубчатый профиль выполнен вдоль передней кромки и/или задней кромки, иначе говоря, в направлении удлинения конструкции на передней и/или задней кромке.

В частности, на профилях с небольшой хордой, а также на замкнутых профилях, - (линия) передней и/или задней кромки, удлиненной вдоль замкнутой линии или направления длины, периметрическая линия, как на носке воздухозаборника воздуха первого контура газотурбинного двигателя, - шум в основном появляется на уровне передней и/или задней кромки, в частности, во впадинах зубчатостей, где перепады давления являются более интенсивными.

Что касается термина «хорда», используемого в настоящем тексте, то следует отметить, что, если и нет именно «хорды», как в случае носка (обозначенного в дальнейшем позицией 16) разделения между потоками первого и второго контуров, будет считаться, что выражение «в направлении хорды (обозначенной в дальнейшем позицией 16) профиля» соответствует направлению, которое в дальнейшем будет называться «общей осью (Х)» или «осью Х», то есть осью, вдоль которой в основном проходит поток текучей среды на соответствующей профилированной конструкции, причем эта ось обычно является поперечной и даже перпендикулярной к длине профилированной конструкции, которая расположена вдоль указанного «направления удлинения».

Понятно, что выражение «поперечный(ая)» не обязательно предполагает строгую перпендикулярность.

Изобретение призвано обеспечить компромисс между снижением шума на этой конструкции, ограничениями на ней аэродинамических потерь, а также механическими напряжениями и интегрированием профилированной конструкции в ее окружающую среду.

В частности, можно принять во внимание тот факт, что в ряде ситуаций такая профилированная конструкция подвергается действию неоднородного и/или анизотропного воздушного потока.

В рамках настоящего изобретения предложены несколько разнородных профилей, в частности, с присутствием зубчатостей на частичной протяженности линии передней и/или задней кромки.

В частности, предложена профилированная конструкция:

- удлиненная в направлении, в котором конструкция имеет длину, обдуваемую воздушным потоком, и

- поперечно к которому конструкция содержит переднюю кромку и/или заднюю кромку, по меньшей мере одна из которых выполнена профилированной и имеет в указанном направлении удлинения зубчатости, образованные следующими друг за другом зубцами и впадинами,

при этом указанная профилированная конструкция отличается тем, что вдоль профилированной(ых) передней кромки и/или задней кромки:

- следующие друг за другом зубцы и впадины выполнены только на части указанной длины, обдуваемой воздушным потоком, при этом остальная часть указанной длины является гладкой, и

- на указанной части длины, за исключением зон, содержащих не более трех последовательных зубцов, находящихся на каждом конце (в непосредственной близости от каждого конца) указанной части длины, зубчатости имеют изменения амплитуды (d) и/или промежутка (L2) между двумя последовательными вершинами зубцов или впадинами, при этом указанные изменения являются монотонными.

Преимуществом является возможность следовать правилу изменения интегрального масштаба турбулентности в выходной струе, называемой также потоком атаки (см. фиг. 19 ниже). Например, на лопатке ВСА интегральный масштаб обычно является большим вблизи корпуса и небольшим вблизи ступицы (за пределами граничного слоя). Это позволяет избежать блуждающего характера вышеупомянутого правила реального изменения интегрального масштаба.

При таком(их) изменении(ях), развивающемся(ихся) в соответствии с по меньшей мере одной числовой функцией, которая остается либо строго возрастающей, либо строго убывающей, на соответствующем участке (по сути на последовательности из по меньшей мере трех зубцов или по меньшей мере трех впадин), где направление изменения является постоянным, можно также исключить возможные аэродинамические потери или ограничить механические напряжения, или облегчить интегрирование профилированной конструкции в ее окружающую среду.

Чтобы ограничить механические напряжения и образование трещин на уровне впадин и/или уменьшить производственные ограничения, сохраняя при этом достаточное ослабление акустических уровней, было предложено также, чтобы по меньшей мере на части длины, обдуваемой воздушным потоком, где присутствуют зубчатости, и

- либо относительно средней хорды (среднего арифметического хорды на длине L1; см. фиг. 20-25 ниже),

- либо для каждой хорды на каждой зубчатости в указанном направлении,

эти зубчатости соблюдали поперечно к направлению удлинения отношение: 0.005≤d/c≤0.5, где “d” является амплитудой зубчатостей в м, и “c” является локальной или средней хордой профилированной конструкции в месте зубчатостей в м.

Чтобы ограничить механические напряжения и образование трещин на уровне впадин и/или уменьшить производственные ограничения и/или уменьшить аэродинамические потери, сохраняя при этом достаточное ослабление акустических уровней, было предложено также, чтобы по меньшей мере на части указанной длины, где присутствуют зубчатости, амплитуда (d) и/или промежуток (L2) между двумя последовательными вершинами зубцов или впадинами изменялась:

- не периодично, или

- в частности, линейно (с возрастанием или убыванием), квадратично, гиперболично, экспоненциально и/или логарифмически.

Чтобы сгладить механические и акустические переходы между зонами и тем самым уменьшить некоторые производственные ограничения, было предложено:

- чтобы вдоль профилированной(ых) передней кромки и/или задней кромки зубчатости имели монотонные изменения амплитуды или промежутка между двумя последовательными вершинами зубцов или впадинами, и/или

- чтобы вдоль профилированной(ых) передней кромки и/или задней кромки и при изменении амплитуды и/или промежутка между тремя последовательными вершинами зубцов и/или впадинами величиной в длину волны зубчатости плавно сопрягались с не имеющей их указанной гладкой частью длины, обдуваемой воздушным потоком, и/или

- чтобы зубчатости заканчивались (на конце сопряжения с гладкой частью) переходным участком, проходящим вдоль указанной гладкой части.

Для решения сравнимой задачи обеспечения перехода, где действует компромисс между максимизированным акустическим эффектом и минимизированными механическими напряжениями, предложено, чтобы ряд из по меньшей мере двух последовательных зубцов и двух впадин, начиная от указанной части длины, обдуваемой воздушным потоком и не имеющей зубчатостей, имел:

- возрастающее расстояние вдоль указанного направления удлинения между двумя последовательными вершинами зубцов или впадинами, и/или

- возрастающую амплитуду,

причем в направлении от гладкой части к зубчатостям, что будет пояснено ниже.

С той же целью было также предложено, чтобы вдоль длины, обдуваемой воздушным потоком, зубчатости начинались и/или заканчивались зубцом на уровне скреплений (кроме случая конструкции типа «носка»).

Чтобы способствовать механическому структурированию и эффекту акустического ограничения, было также предложено, чтобы на указанной гладкой части длины указанная конструкция имела более длинную хорду, чем на дне ближайшей впадины.

В зависимости от случаев предусмотрено, чтобы вдоль указанной длины, обдуваемой воздушным потоком, зубчатости могли отсутствовать:

- по меньшей мере на одном из двух концов указанной длины, или

- в промежуточной части между этими концами и в этом случае присутствовали на указанных двух концах,

- в нескольких местах длины, отделенных друг от друга, например, отсутствовали на одном конце и в участке промежуточной зоны.

Первый случай должен обеспечить ограничение возможных механических напряжений на уровне границ/соединений между указанной профилированной конструкцией и зоной установки/крепления рабочей лопатки, например, на воздушном винте или в месте между двумя стенками воздушного проточного тракта.

Второй случай должен ограничивать зубчатости в местах, где турбулентность является самой большой, и исключать их в других местах, чтобы не создавать помех для аэродинамического поведения в этих зонах.

Такой же подход предложен, если предусмотрено несколько профилированных конструкций, которые могут влиять друг на друга, и объектом изобретения является набор профилированных конструкций, каждая из которых имеет все или часть вышеупомянутых признаков, в котором соответствующе направления удлинения проходят радиально вокруг оси тела вращения и в котором расстояние между двумя последовательными вершинами зубцов или впадинами и/или амплитуда больше (и, следовательно, длиннее) на радиально наружном конце длины, обдуваемой воздушным потоком, чем на радиально внутреннем конце этой длины.

Так, например, в случае, когда указанные профилированные конструкции являются лопатками ВСА, находящимися на выходе вентилятора, и с такими амплитудами и/или длинами волн (расстояниями между двумя последовательными вершинами зубцов или впадинами) зубчатостей, более значительными (и, следовательно, более длинными) вблизи наружного корпуса (в вершине лопаток ВСА), чем на ножке вблизи зоны между проточными трактами, можно компенсировать недостатки, связанные с тем, что завихрения на конце лопастей вентилятора имеют больший размер и являются достаточно энергетическими на многих турбореактивных двигателях.

С учетом этого объектом изобретения является также:

- капотированный или не капотированный газотурбинный двигатель с входным вентилятором, имеющий общую ось (которая может быть вышеупомянутой осью тела вращения) и содержащий ротор, который может вращаться вокруг указанной общей оси, и статор, при этом статор и/или ротор содержат профилированные конструкции, каждая из которых имеет все или часть вышеупомянутых признаков,

- и, в частности, газотурбинный двигатель, в котором статор содержит (или профилированная конструкция принадлежит к):

- кольцевую разделительную (между трактами) стенку для разделения воздушного потока на выходе вентилятора на поток первого контура и поток второго контура,

- неподвижные лопатки ВСА для направления потока второго контура, образующие указанные профилированные конструкции,

- неподвижные лопатки ВНА для направления потока первого контура на входе компрессора, образующие указанные профилированные конструкции, и/или

- капотированный или не капотированный газотурбинный двигатель (общая ось которого может быть вышеупомянутой осью тела вращения), содержащий два ротора, которые могут вращаться параллельно (вокруг по меньшей мере одной параллельной оси) относительно указанной общей оси, и/или один и/или другой из роторов содержит указанные профилированные конструкции, каждая из которых имеет все или часть вышеупомянутых признаков.

Изобретение и его другие детали, отличительные признаки и преимущества будут более очевидны из нижеследующего описания, представленного в качестве не ограничительного примера со ссылками на прилагаемые чертежи.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 схематично показан известный авиационный газотурбинный двигатель, вид в продольном разрезе (по оси Х);

на фиг. 2 схематично показана входная зона (носок) разделительной стенки между потоками первого и второго контуров с применением заявленного решения;

на фиг. 3 может быть показана либо деталь III, изображенная на фиг. 2, либо локальной схемой зубчатого профиля, который может присутствовать на лопасти вертолета, на лопатке вентилятора, на части ротора или спрямляющего аппарата, на носке передней кромки или на щитке крыла летательного аппарата;

на фиг. 4 показана деталь IV, обозначенная на фиг. 1;

на фиг. 5 схематично показан летательный аппарат, содержащий заявленные конструкции;

на фиг. 6-14 показаны различные формы зубчатых профилей в соответствии с изобретением, которые могут соответствовать, например, зоне I на фиг. 1 или 5;

на фиг. 15-16 схематично показаны два других зубчатых профиля в соответствии с изобретением, в частности, с зубчатостями, смещенными в угловом направлении (угол α);

на фиг. 17 показано локальное увеличение примера зоны с зубчатостями в соответствии с изобретением на выходе вентилятора;

на фиг. 18-19 показаны соответственно вид в осевом разрезе, иллюстрирующий интенсивность завихрения в выходной струе вентилятора двухконтурного турбореактивного двигателя до лопаток ВСА, и график соответствующего радиального изменения интегрального масштаба турбулентности (∧) в зависимости от радиуса (r) между внутренним радиусом rint и наружным радиусом rext воздушного проточного тракта, обозначаемого в дальнейшем позицией 20;

на фиг. 20-22 представлены части длины передней и/или задней кромки, имеющие зубчатости со (строго) монотонными изменениями амплитуды (d) или промежутка (L2); на этих фигурах сплошными линиями показаны реальные профили зубчатостей, более тонкими волнистыми линиями показаны воображаемые профили зубчатостей, вычисленные для определения средней хорды и представляющие собой контрольный профиль, на основании которого определены монотонные изменения амплитуды и/или промежутка;

на фиг. 23-25 показаны части длины передней или задней кромки с зубчатыми участками, где преобразования зубчатостей следуют не периодическим и (по меньшей мере частично) монотонным правилам изменения, таким как линейные, логарифмические и параболические правила соответственно.

Осуществление изобретения

Даже если на глаз это четко и не прослеживается, следует считать, что на всех фиг. 2-17 и 23-25 изменения амплитуды (d) и/или промежутка (L2) между двумя последовательными вершинами зубцов или впадинами являются монотонными в вышеупомянутых условиях.

На фиг. 1 схематично показан турбореактивный двигатель 10 летательного аппарата 100, который можно определить следующим образом:

Гондола 12 служит наружным кожухом для различных органов, среди которых - спереди (слева на фиг. 1) входной (АМ) вентилятор 14.

На выходе (AV) вентилятора 14 воздушный поток (схематично показанный локально на фиг. 4 позицией 38) делится разделительным носком 16 кольцевой стенки 160 на воздушный поток первого контура и воздушный поток второго контура. Воздушный поток первого контура проходит через внутренний кольцевой воздушный проход или проточный тракт 18 первого контура в компрессор 22 низкого давления на уровне входных направляющих лопаток 24 ВНА. Воздушный поток второго контура отклоняется разделительным носком 16 в наружный кольцевой воздушный проход 20 (проточный тракт второго контура) в направлении выходных направляющих лопаток 26 ВСА, затем в сторону выхода двигателя.

На фиг. 2 и 3 более конкретно показана передняя часть 161 разделительного носка 16, содержащая переднюю кромку 164, находящуюся ближе всего к входу, на уровне которой наружная стенка 162 разделительного носка 16 соединяется с внутренней стенкой 163 разделительного носка 16, при этом верхняя стенка 162 образует внутреннюю обечайку проточного тракта 20 второго контура.

В любом случае следует уточнить, что осевым будет называться то, что проходит вдоль или параллельно продольной оси (Х) вращения соответствующей части газотурбинного двигателя, при этом указанная ось априори будет общей осью вращения этого газотурбинного двигателя. Радиальным (ось Z) будет называться то, что расположено радиально к оси Х, а окружным будет называться то, что находится вокруг нее. Внутренним или наружным будет то, что расположено радиально, то есть напротив оси Х. Таким образом, внутренняя стенка 163 является радиально внутренней стенкой разделительного носка 16. Кроме того, определения «входной» и «выходной» следует рассматривать относительно прохождения газов в соответствующем газотурбинном двигателе (или в его части): эти газы заходят на входе и выходят на выходе, в целом проходя параллельно вышеупомянутой продольной оси вращения.

Кроме того, приложенные чертежи и относящееся к ним описание представлены со ссылкой на обычную ортогональную систему координат X-Y-Z, в которой ось Х является определенной выше осью.

Разделительный носок 16 образован двумя сторонами: наружной стороной стенки 162, служащей радиально внутренней границей для наружного кольцевого воздушного прохода 20, в который поступает поток Fs второго контура, тогда как внутренняя сторона стенки 163 служит радиально наружной границей для внутреннего кольцевого прохода 18, в который поступает поток Fp первого контура.

Нижняя стенка 163 разделительного носка 16 образует наружную обечайку компрессора 22 низкого давления.

Даже если осевое (Х) смещение лопаток ВНА 24 в сторону выхода относительно передней кромки 164 разделительного носка 16 является меньшим по сравнению с осевым смещением лопаток ВСА 26 относительно этой же передней кромки 164, участок передней части 161, непосредственно смежный с передней кромкой 164 разделительного носка 16, является открытым.

Чтобы уменьшить шум, производимый передней кромкой, например, носка 16, лопатки ОGV 26, лопатки ВНА 24, можно предусмотреть, чтобы эта передняя кромка 164 имела профиль с зубчатостями 28, имеющими последовательность зубцов 30 и впадин 32, как показано в примерах на фиг. 6-17.

Однако заявленное решение можно применять для других конструкций, отличных от конструкций на газотурбинном двигателе, таком как турбореактивный двигатель 10, и они могут иметь переднюю кромку 164, имеющую профиль с зубчатостями 28, содержащими последовательность зубцов 30 и впадин 32.

На фиг. 5 схематично показан летательный аппарат 100, на котором присутствуют профилированные конструкции с таким зубчатым профилем 28 на передней кромке на крыльях 39, на пилоне 41 крепления двигателя 42 летательного аппарата, на киле 44, стабилизаторе 46, лопасти или лопатке 48 не капотированного воздушного винта или на неподвижных лопатках 49 (статора) на выходе не капотированного воздушного винта. На этой фиг. 5 показаны два тяговых газотурбинных двигателя летательного аппарата, содержащих две не капотированные винтовые группы, каждая с двумя роторами 480а, 480b, следующими друг за другом и являющимися коаксиальными, которые могут вращаться параллельно указанной общей оси (Х), при этом один и/или другой из этих роторов содержит профилированные конструкции 1.

Кроме того, на фиг. 3 представлен схематичный локальный вид зубчатого профиля 28, который может присутствовать на обозначенной позицией 50 лопасти вертолета, лопатке вентилятора, части ротора или спрямляющего аппарата, носке передней кромки или щитке крыла летательного аппарата.

Общим признаком всех этих аэродинамических профилей является генерирование граничного слоя на поверхности на выходе и, следовательно, турбулентного потока.

Независимо от применения зубчатого профиля 28, можно считать:

- что этот профиль принадлежит к профилированной конструкции 1 (или к аэродинамическому профилю), вокруг которой (которого) проходит воздух, которая(ый) является удлиненной(ым) в направлении Z, в котором конструкция (или профиль) имеет длину L1, которую обдувает воздушный поток, и

- что поперечно к направлению Z конструкция (или профиль) содержит переднюю кромку 164 и/или заднюю кромку 165 (разделительный носок 16 не имеет задней кромки), по меньшей мере одна из которых является профилированной и, следовательно, имеет в указанном направлении удлинения Z зубчатости (профиль 28), образованные следующими друг за другом указанным зубцами 30 и впадинами 32.

Зубцы 30 и впадины 32 следуют друг за другом с чередованием.

Для оптимизации эффективности количество зубцов 30 и впадин 32 составляет от 3 до 100.

Чтобы, как было указано выше, учитывать, что в ряде ситуаций указанная профилированная конструкция 1 подвергается действию неоднородного и/или анизотропного воздушного потока, и чтобы обеспечивать компромисс между желаемым снижением шума, ограничением аэродинамических потерь и интегрированием профилированной конструкции в ее окружающую среду, было предложено, чтобы вдоль профилированной(ых) передней кромки 164 и/или задней кромки 165 зубчатости 28 присутствовали на ограниченной зоне длины L1 (см. фиг. 7-14).

Чтобы дополнить решение и с той же целью было также предложено, чтобы:

- по меньшей мере на участке части длины, где существуют зубчатости 28,

- и, в частности, за исключением зон (таких как 33 и 35 на фиг. 6), содержащих не более трех последовательных зубцов, находящихся на каждом конце указанной части длины:

зубчатости 28 имели (см., в частности, фиг. 6, 10, 16 и 20-25):

- поперечно к направлению удлинения Z - амплитуду d зубчатостей, которая меняется монотонно, и/или

- в указанном направлении удлинения - расстояние L2 между двумя последовательными вершинами (300, 320 соответственно) зубцов 30 или впадин 32, которое меняется монотонно.

Амплитуду d можно измерить вдоль оси Х между вершиной 300 зубца 30 и следующим за ней в данном направлении дном 320 непосредственно смежной впадины 32.

При соотношении между наибольшей амплитудой и наименьшей амплитудой, составляющем от 1,2 до 20, в том числе при необходимости с учетом указанной ниже зоны 28а перехода/сопряжения, зубчатости 28 будут одновременно эффективными с точки зрения акустики, механической прочности и интегрирования (крепления) в их ближней окружающей среде.

Чтобы дополнить в этих же целях это требование по d и по L2, можно сделать разнородными (неоднородными по своей активной длине L1) зубчатости 28 профилей из всех указанных ниже решений, то есть с радиальными изменениями этих зубчатостей; см. фиг. 7-10.

В частности, следующие друг за другом зубцы 30 и впадины 32 будут расположены только на части L1a этой длины L1, обдуваемой воздушным потоком. Остальная часть L1b длины L1 будет гладкой (то есть не будет иметь зубчатостей): часть 280.

Чтобы улучшить этот компромисс и, частности, предупредить образование трещин на уровне впадин, как показано на фиг. 6, поперечно к направлению удлинения Z зубчатости 28 должны соблюдать отношение: 0.005 ≤ d/c ≤ 0.5, где:

- “d” обозначает амплитуду зубчатостей в м, и

- “c” обозначает хорду профилированной конструкции в месте этих зубчатостей в м.

Эта хорда с будет либо средней хордой на длине L1a, либо хордой на каждой зубчатости (один зуб со следующей за ним впадиной) в указанном направлении Z; см. фиг. 6, 10 и 20-22.

Поиск вышеупомянутого компромисса привел к тому, чтобы предусмотреть переход, называемой также переходной зоной 28а:

- там, где при монотонном изменении и, в частности, по мере приближения к гладкой части 280 при общем уменьшении амплитуды d и/или промежутка L2 между двумя вершинами соответственно 300, 320 последовательных зубцов 30 или впадин 32 зубчатости плавно сопрягаются (зона перехода/сопряжения 28а) с указанной гладкой частью 280; см. фиг. 7-8, и/или

- там, где зубчатости 28 заканчиваются (на своем конце сопряжения с гладкой частью) зоной 280а, которая будет проходить вдоль указанной гладкой части 280, не имеющей зубчатостей; см. фиг. 7-8.

В частности, в этой ситуации получают по меньшей мере конструктивное преимущество в том, что вдоль длины L1 зубчатости 28 начинаются и заканчиваются зубцом 30 на уровне скреплений зон, имеющих зубчатости, как показано на фиг. 6, 7. Скреплениями называют вставки конструкций в их опоры, например, на конце(ах) наружного корпуса 53 и/или центральной ступицы 55.

Поиск этого компромисса может даже привести к тому, что, в частности, в зоне перехода 28а ряд из по меньшей мере двух (предпочтительно трех) последовательных зубцов 30 и из двух (предпочтительно трех) последовательных впадин 32, начиная от указанной части L1b длины, не содержащей зубчатостей, имеет:

- возрастающее расстояние L2 в указанном направлении удлинения между двумя последовательными вершинами зубцов или впадинами, и/или

- возрастающую амплитуду d, как показано на фиг. 7, 8.

Кроме того, предусматривая более длинную хорду с на гладкой части 280, чем на дне (в вершинах 320) впадин 32, обеспечивают усиление механического структурирования и эффекта акустического ограничения, способствуя образованию переходной зоны 28а.

В дальнейшем пояснения будут сосредоточены на примере лопаток ВСА 26, поскольку обычно речь идет о критической зоне, находящейся сразу на выходе вентилятора 14. Однако рассматриваемые признаки можно экстраполировать на другие случаи зубчатого профиля 28.

Зубчатости 28 на уровне передней кромки 164 лопаток ВСА 26 могут нарушить аэродинамические свойства лопатки ВСА или усложнить механическое интегрирование лопатки ВСА в проточный тракт 20 (фиг. 1). Чтобы ограничить влияние этих зубчатостей на аэродинамическую эффективность лопаток ВСА, на локальные механические напряжения и на их интегрирование, предусмотрено, чтобы такие зубчатости перекрывали только от 0.05L до 0.95L активного размаха (длины L1) лопатки ВСА.

Фиг. 11-14 иллюстрируют различные ситуации таких частичных зон зубчатостей 28 на передней 164 и/или задней 165 кромках.

Так:

- на фиг. 11: Зубчатости 28 отсутствуют на внутреннем конце 281 профилей (в данном случае отсутствуют на ножке лопатки ВСА). Это позволяет ослабить механические и/или аэродинамические напряжения на внутреннем конце и одновременно сохранить достаточное ослабление акустических уровней на наружном конце 283 (вблизи наружного корпуса 53 в данном примере), где интенсивность турбулентности и интегральный масштаб турбулентности или характеристический масштаб турбулентности являются большими. Зубчатости вблизи наружного корпуса тоже могли быть полезными, чтобы избегать возможного срыва граничного слоя при некоторых режимах или условиях полета.

- на фиг. 12: Зубчатости 28 отсутствуют на наружном конце 283 профилей (в данном случае отсутствуют в вершине лопатки ВСА). Это позволяет ослабить механические и/или аэродинамические напряжения в вершине и одновременно сохранить достаточное ослабление акустических уровней на остальной части протяженности профиля или избегать возможного срыва граничного слоя при некоторых режимах на уровне ножки конструкции (опоры, например, центральной ступицы 55, к которой может принадлежать кольцевая стенка 160; фиг. 2,4).

- на фиг. 13: Зубчатости 28 присутствуют на уровне промежуточной части профиля, но отсутствуют на наружном 283 и внутреннем 281 концах. Это позволяет устранить возможные механические напряжения на уровне соединений между рассматриваемой конструкцией и в данном случае стенками проточного тракта 20 (в данном примере наружный корпус 53 и ступица 55) за счет исключения зубчатостей на ножке 281 и в вершине 283 лопатки ВСА, но сохраняя при этом их для спрямления промежуточных турбулентных струй.

- на фиг. 14: Зубчатости 28 присутствуют на наружном 283 и внутреннем 281 концах, но отсутствуют в промежуточной части профиля. Это позволяет ограничить выполнение зубчатостей в зонах, где турбулентность является самой большой, и исключить эти зубчатости в других местах, чтобы не нарушать аэродинамическое поведение в этих зонах. В частности, при среднем режиме работы между режимом малого газа и режимом полного газа это позволяет ограничить срыв граничного слоя в сторону наружного 283 и внутреннего 281 концов.

Что касается формы зубчатостей 28, то они могут представлять собой закругленные волны, такие как синусоидальные волны, или другие формы, например, в виде елочки, как показано на фиг. 16. На фиг. 15, 16, а также на фиг. 5 (некоторые) зубчатости 28 имеют острый угол атаки α по отношению к оси Х.

В зависимости от случаев можно также адаптировать стрелу прогиба конструкции 1 (на английском языке “sweep angle”): острый угол относительно перпендикуляра к оси Х, в месте конструкции.

Чтобы усилить декорреляцию или сдвиг фазы между источниками шума вдоль размаха, можно предусмотреть, чтобы профилированные передняя кромка 164 и/или задняя кромка 165 проходила(и) вдоль общей изогнутой линии с вогнутостью, обращенной в сторону входа, как показано, например, на фиг. 6 или 10.

Из всего выше сказанного также понятно, что рассмотренная конструкция может, как в не ограничительном случае применения для лопаток ВСА, принадлежать к набору профилированных конструкций, каждая из которых имеет все или часть вышеупомянутых признаков и соответствующие направления удлинения Z которых проходят радиально вокруг оси Х.

В частности, в не ограничительном случае таких лопаток ВСА 1/26 можно также компенсировать недостатки, связанные с завихрениями на конце лопастей вентилятора 14, где они имеют больший размер, чем в других местах и являются достаточно энергетическими.

Для этого расстояние L2 между двумя последовательными вершинами 300, 320 зубцов или впадин и/или амплитуда d являются более значительными (или, следовательно, более длинными) на радиально наружном конце 283 длины L1, чем на радиально внутреннем конце 281, следуя, таким образом, правилу монотонного изменения.

Таким образом, амплитуды и/или длины волны соответствующих зубчатостей 26 будут более значительными (или более длинными) вблизи наружного корпуса 53, чем вблизи зоны между трактами (ступица 55/стенка 160).

Следует также отметить, что изобретение позволяет учитывать локальные свойства рассматриваемого турбулентного потока U, например, на входе лопаток ВСА, чтобы определить геометрию волн в зависимости от радиального распределения интегрального масштаба турбулентности (∧ на фиг. 19) в выходное струе вентилятора 14. При этом можно уточнить, что выходная струя, показанная на фиг. 4, может взаимодействовать как с лопатками ВСА (над носком), так и с лопатками ВНА (под носком).

В этой связи на фиг. 6 показана лопатка ВСА 1/26 с волнистостью, оптимизированной в зависимости от интегрального масштаба ∧ локальной турбулентности вдоль размаха. Следует заметить, что амплитуда d волнистости и «длина волны» L2 являются намного большими вблизи корпуса 55, чем на ножке лопатки ВСА (опора/ступица 55), за пределами граничных слоев. Это связано с завихрениями на конце лопасти вентилятора 14.

На фиг. 18 и 19 схематично показаны интенсивность турбулентности и радиальное изменение интегрального масштаба турбулентности в выходной струе вентилятора 14 на входе лопаток ВСА 26. В этом примере, начиная от 2/3 наружных радиусов интегральный масштаб (∧) турбулентности резко увеличивается и достигает кульминации непосредственно перед наружным радиусом rext. На практике можно использовать параболическое или линейное изменение, как показано соответственно пунктирной и штриховой линиями на фиг. 19, чтобы определить монотонное изменение зубчатостей.

В решениях, представленных на фиг. 20-22, показаны ситуации, когда, чтобы учитывать неоднородный и/или анизотропный воздушный поток и обеспечивать вышеупомянутый акустический/аэродинамический/механический компромисс, было предложено, чтобы вдоль профилированных передней кромки 164 и/или задней кромки 165 по меньшей мере на части длины L1 зубчатости имели повторяющийся геометрический рисунок, форма которого все же имеет растянутость или сжатие:

- поперечно к направлению удлинения (при этом получают изменяющуюся амплитуду: см. d1, d2,… на фиг. 20; см. также фиг. 22), и/или

- в направлении удлинения (при этом получают изменяющуюся длину повторяющегося рисунка в направлении удлинения: см. длины L21-L23 на фиг. 22; см. также фиг. 21).

Таким образом, вдоль передней кромки 164 и/или задней кромки 165 зубчатости (28, 28а) будут иметь по меньшей мере на части указанной длины (L1), обдуваемой воздушным потоком, геометрический рисунок, трансформированный посредством последовательного масштабирования через множители, причем в направлении удлинения (L2, L21, L22, L23,…) и/или поперечно к направлению удлинения (d, d1, d2,…).

В двух первых случаях (фиг. 20-21) растяжения или сжатия повторяющегося «контрольного» геометрического рисунка сохраняют рисунок либо по амплитуде, либо по частоте, следуя правилу монотонного изменения (длины L2 рисунка в направлении удлинения).

Так, на фиг. 20, если принять в качестве контрольного рисунка рисунок серого цвета на фигуре (ограниченный штрих-пунктирной линией), то видно, что вдоль длины L1 длина или частота L2 рисунка сохраняется и что, с другой стороны, амплитуда d меняется (d1, d2, …). В ситуации, показанной на фиг. 21, все происходит наоборот: амплитуда d сохраняется, а длина или частота L2 рисунка меняется.

На фиг. 20-21 был изменен периодический профиль зубчатостей, образованный повторяющимся геометрическим рисунком («контрольный» рисунок, пример которого показан в сером цвете), имеющим два характеристических направления (см. направления X,r на соответствующих фигурах, где r ≠ X и, например, r=Z), посредством следующей трансформации: родовой рисунок был приведен к желаемому масштабу через множитель в характеристическом направлении, тогда как в другом характеристическом направлении размеры рисунка могут оставаться без изменения (фиг. 20-21) или могут следовать масштабированию (фиг. 22).

Действительно, для зон с сильным акустическим влиянием можно предпочесть растянутости и/или сжатия, которые будут меняться по амплитуде и по частоте, как в примере на фиг. 22: частота L2 и амплитуда d повторяющегося геометрического рисунка меняются вместе: L21, L22, L23,… и d1, d2, d3….

Как только установлено отношение между «амплитудой» и «частотой», можно сохранить пропорции повторяющегося геометрического рисунка; см. гомотетию на фиг. 22.

На фиг. 23-25 схематично представлены три ситуации, в которых по меньшей мере на части указанной длины (L1), обдуваемой воздушным потоком, трансформации зубчатостей следуют правилам, соответственно:

- линейному (фиг. 23),

- логарифмическому (фиг. 24),

- параболическому (фиг. 25).

Можно также выбрать квадратичное, гиперболическое или экспоненциальное правило; причем по «амплитуде» (d1, d2, d3…) и/или по «частоте» (L21, L22, L23,…).

В целом в силу тех же упомянутых выше соображений можно выбрать не периодическое и монотонное изменение по амплитуде (d) и/или по частоте (L2) зубчатостей 28.

Claims (24)

1. Профилированная конструкция для летательного аппарата или для авиационного газотурбинного двигателя,

- удлиненная в направлении удлинения, в котором конструкция имеет длину (L1), обдуваемую воздушным потоком, и

- поперечно к которому конструкция содержит переднюю кромку (164) и/или заднюю кромку (165), по меньшей мере одна из которых выполнена профилированной и имеет в указанном направлении удлинения зубчатости (28, 28а), образованные следующими друг за другом зубцами (30) и впадинами (32),

отличающаяся тем, что вдоль профилированной(ых) передней кромки (164) и/или задней кромки (165):

- следующие друг за другом зубцы (30) и впадины (32) выполнены только на части указанной длины, обдуваемой воздушным потоком, при этом остальная часть (280) указанной длины является гладкой, и

- на указанной части длины, за исключением зон (33, 35), содержащих не более трех последовательных зубцов, находящихся на каждом конце указанной части длины, зубчатости (28, 28а) имеют изменения амплитуды (d) и/или промежутка (L2) между двумя последовательными вершинами зубцов (30) или впадинами, при этом указанные изменения являются монотонными.

2. Профилированная конструкция по п. 1, в которой по меньшей мере на части длины (L1), обдуваемой воздушным потоком, где присутствуют зубчатости, и либо относительно средней хорды, либо для каждой хорды на каждой зубчатости в указанном направлении, эти зубчатости соблюдают поперечно к направлению удлинения отношение: 0,005≤d/c≤0,5, где "d" является амплитудой зубчатостей в метрах, и "c" является хордой профилированной конструкции в месте зубчатостей в метрах.

3. Профилированная конструкция по любому из пп. 1 или 2, в которой вдоль профилированной(ых) передней кромки (164) и/или задней кромки (165) и при изменении амплитуды и/или промежутка между двумя последовательными вершинами зубцов (30) или впадинами зубчатости (28, 28а) плавно сопрягаются с указанной гладкой частью (280) длины.

4. Профилированная конструкция по любому из пп. 1-3, в которой зубчатости заканчиваются переходным участком (280а), проходящим вдоль указанной гладкой части (280).

5. Профилированная конструкция по любому из пп. 1-4, в которой на указанной гладкой части (280) длины указанная конструкция имеет более длинную хорду (с), чем на дне впадины (32).

6. Профилированная конструкция по любому из пп. 1-5, в которой на указанной части длины, за исключением указанных зон, ряд из по меньшей мере трех последовательных зубцов (30) и трех впадин (32) имеет строго возрастающее расстояние (L2) вдоль указанного направления удлинения между двумя последовательными вершинами зубцов (30) или впадинами (32).

7. Профилированная конструкция по любому из пп. 1-6, в которой на указанной части длины, за исключением указанных зон, ряд из по меньшей мере трех последовательных зубцов (30) и трех впадин (32) имеет строго возрастающую амплитуду (d).

8. Профилированная конструкция по любому из пп. 1-7, в которой вдоль указанной длины, обдуваемой воздушным потоком, зубчатости (28, 28а) отсутствуют:

- по меньшей мере на одном из двух концов указанной длины, или

- в промежуточной части между этими концами и присутствуют на указанных двух концах.

9. Профилированная конструкция по любому из пп. 1-8, в которой по меньшей мере на части длины, где присутствуют зубчатости, амплитуда (d) и/или промежуток (L2) между двумя последовательными вершинами зубцов (30) или впадинами изменяется не периодично.

10. Профилированная конструкция по любому из пп. 1-9, в которой по меньшей мере на части длины, где присутствуют зубчатости, амплитуда (d) и/или промежуток (L2) между двумя последовательными вершинами зубцов (30) или впадинами изменяется линейно, квадратично, гиперболично, экспоненциально и/или логарифмически.

11. Набор профилированных конструкций, каждая из которых выполнена по любому из пп. 1-10, в котором соответствующе направления удлинения проходят радиально вокруг оси тела вращения, при этом расстояние (L2) между двумя последовательными вершинами зубцов (30) или впадинами (32) и/или амплитуда являются более значительными на радиально наружном конце длины (L1), обдуваемой воздушным потоком (U), чем на радиально внутреннем конце этой длины.

12. Газотурбинный двигатель, имеющий общую ось (Х) и содержащий ротор, выполненный с возможностью вращения вокруг указанной общей оси (Х), и статор, при этом статор и/или ротор содержат профилированные конструкции (1), каждая из которых является конструкцией по любому из пп. 1-10.

13. Газотурбинный двигатель по п. 12, в котором профилированная конструкция является:

- кольцевой разделительной стенкой (160) для разделения воздушного потока на выходе вентилятора газотурбинного двигателя на поток первого контура и поток второго контура,

- или неподвижными лопатками (26, ВСА) для направления потока (Fs) второго контура, образующими указанные профилированные конструкции,

- или неподвижными лопатками (24, ВНА) для направления потока (Fp) первого контура, образующие указанные профилированные конструкции.

14. Газотурбинный двигатель по п. 12 или 13, содержащий два ротора (480а, 480b), которые могут вращаться параллельно относительно указанной общей оси (Х), при этом один и/или другой из роторов содержит профилированные конструкции (1), каждая из которых является конструкцией по любому из пп. 1-10.

Images