Почему лопасти вентилятора реактивного двигателя имеют закрученную форму?

В отношении этого изобретения шли патентные войны .

То, что вы показываете, — это не просто поворот, но и меняющийся размах. Согласно патенту Rolls-Royce от 1996 года, который был предметом одного из судебных исков , основное резюме выглядит следующим образом:

Эта особенность создает явное смещение распределения воздушного потока по средней высоте по размаху лопасти, в результате чего воздушный поток через области средней высоты канала потока увеличивается, а воздушный поток через концевые области уменьшается. Это благоприятно сказывается на общей эффективности лезвия.

и

Передняя стреловидность используется вблизи ступицы 4, чтобы противодействовать задней стреловидности внешних секций лопасти 30, чтобы сделать конструкцию механически осуществимой.

Если посмотреть на изображение посередине, то видно, как изменяется угол лезвия, чем выше$S_n$номер, тем дальше от хаба. А с двумя векторами скорости от вращения и воздушного потока ясно, что средние секции будут создавать большую часть тяги, что помогает уменьшить потери на наконечнике.

Другой целью изобретения является «повышенная устойчивость к повреждению посторонними предметами», «в частности, к ударам птиц»; поскольку большая часть верхней поверхности лопастей не обращена прямо вперед, на лопасти передается меньшая энергия удара.

Я не думаю, что будет правильно сказать, что желаемая тяга одинакова по всему лезвию. Для большой лопасти турбовентилятора, такой как та, что на вашем изображении, внешняя часть спроектирована так, чтобы действовать больше как пропеллер (эффективен для перепускного воздуха), а внутренняя часть предназначена для работы больше как компрессор (эффективен для ядра). Вы правы, утверждая, что поворот помогает оптимизировать угол атаки в зависимости от скорости секции, но это больше связано с тем, чтобы не нарушать скорость звука на кончике, чем поддерживать постоянную тягу вдоль лопасти.

Тем не менее, для любого конкретного двигателя лопасти оптимизированы на основе невероятного количества сложных расчетов CFD и аэродинамической трубы, для которых нет простого или интуитивно понятного резюме. Конструкция лопасти турбовентилятора зависит от нескольких факторов, в основном

• аэродинамическая эффективность,
• структурная эффективность,
• шум,
• температура,
• вибрации, и
• устойчивость к столкновению с птицами.

Все они входят в результирующую форму, но вы вряд ли найдете особенности, которые не являются собственностью производителя и доступны для анализа. В частности, поворот — это просто еще один параметр в обширной и сложной оптимизации.

Почему лопасти вентилятора реактивного двигателя имеют закрученную форму?

Ваш вопрос касается скручивания лопастей вентилятора, но на самом деле ответ верен почти для всех вращающихся лопастей. Если бы лезвие не было искривлено, угол атаки был бы очень разным от его основания до острия.

Подкрутка уравнивает угол атаки по длине. Я говорю « выравнивать » для упрощения, угол может быть неравным, другие аспекты могут требовать, чтобы лопасть включала в себя некоторое изменение угла атаки, например, чтобы предотвратить колебание лопасти (флаттер), тем не менее, общая цель состоит в том, чтобы выровнять угол.

Угол атаки

Угол атаки – это угол между воздушным потоком и хордой лопасти .

Чтобы лопасть была эффективной, этот угол должен быть близок к максимальному углу подъемной силы, который составляет примерно около 15 ° для обычных аэродинамических профилей:

Однако мы говорим о том, откуда на самом деле исходит воздух, как видно по лезвию . Когда самолет движется прямо и горизонтально, воздух для пилота поступает спереди, но это не так для лопасти вентилятора из-за вращения лопасти.

Скорость, создаваемая вращением (тангенциальная скорость), зависит от того, находится ли точка близко к центру вращения (меньшая скорость) или близко к кончику (большая скорость).

Для вращающейся лопасти направление воздуха представляет собой (векторную) сумму перемещения самолета, т. е. воздушной скорости самолета, и вращения лопасти. Сумма имеет постоянную составляющую — перенос и переменную — тангенциальную скорость в рассматриваемой точке:

Давайте представим, что мы изменили угол атаки лопасти в точке A. Что произойдет в точках B и C, если лопасть не закручена?

По мере того, как мы приближаемся к кончику лезвия, тангенциальная скорость увеличивается относительно скорости движения вперед, поэтому сумма (фиолетовый цвет) становится более вертикальной. Угол атаки теперь слишком мал для точек B, а в C он даже отрицательный, то есть лопасть толкает воздух не в ту сторону.

Чтобы компенсировать вращение в направлении воздуха по мере приближения к наконечнику, лопасть должна быть повернута на величину, показанную серым цветом на рисунке выше. Около корня, где поступательное движение наибольшее, хорда близка к направлению движения; вблизи вершины, где тангенциальная скорость наибольшая, хорда находится почти в плоскости вращения вентилятора:

^{Источник: отличный уголок Бьорна}

Эффект поворота: различная частота

Угол атаки лопастей на конце меньше, чем на ступице, потому что он движется с большей скоростью, чем ступица.

Из того, что было обсуждено, мы можем отличить фактический угол атаки от кажущегося угла, который обычно называется тангажом или углом падения , то есть углом между продольной осью двигателя и хордой.

На скрученном лезвии угол падения варьируется и больше на кончике лезвия. Однако угол атаки, который фактически зависит от скорости вращения и не может быть оценен визуально, должен быть более или менее постоянным.

Специфика лопаток вентилятора в ТРДД

В турбовентиляторных двигателях вентилятор воздействует на два отдельных потока: первичный поток, меньший по массе, который используется для производства газа для вращения турбины; и вторичный поток, самый большой из которых обходит сердцевину двигателя и приводит самолет в движение.

Соответственно, лопатки вентилятора в таких двигателях выполнены двухсекционными. Около ступицы лопатки являются частью компрессора низкого давления, их роль заключается в повышении давления. В другом месте они немного ускоряют воздух, чтобы создать тягу, как пропеллер.

Эти два дизайна должны иметь дело со своими собственными ограничениями и оптимизациями, что придает определенную форму. Современные лопасти вентилятора представляют собой полые многослойные пластины из титана/алюминия и композитных материалов, они сравнительно легче и сложнее. При вращении они меньше нагружаются, особенно там, где скорость выше, чем более тяжелые лопасти, и могут быть шире, не подвергаясь деформации. Это позволяет придать им более оптимальную форму, включая изгиб, конусность, двугранность, изгиб и т. д. Эволюция формы с течением времени видна на последнем изображении этого ответа.

(Горячая секция) лопатки турбины скручены (в направлении хорды), потому что они частично используют реактивную аэромеханическую конструкцию и импульсную аэромеханическую конструкцию. (Кроме того, лопасть закручивается в радиальном направлении из-за вихревого потока. См. последний абзац раздела разработки здесь . Это также упоминается в книге Фрэнка Уиттла «Аэротермодинамика газовых турбин». В книге Роллс-Ройса «Реактивный двигатель» говорится на стр. 50 . : « Причина закрутки в том, чтобы заставить газовый поток из системы сгорания совершать одинаковую работу во всех положениях по длине лопасти и обеспечить попадание потока в выхлопную систему с равномерной осевой скоростью ».)

С лопастями вентилятора я не уверен - я думаю, что ваш ответ верен (хотя лучше сказать даже рост давления, чем тяга, хотя в конечном итоге это давление преобразуется в тягу), но если это был единственный фактор в игре , я думаю, что форма лезвия будет плавной дугой от ступицы к кончику, но это не так. Обычно в газовой турбине внешний диаметр корпуса вентилятора относительно прямой, но ступица расширяется, когда воздух проходит через вентилятор, а затем в компрессор, воздух проходит через изгиб. Итак, воздух движется в осевом и радиальном направлениях. Это может быть дополнительным фактором, вызывающим скручивание лопастей вентилятора. Лопасти вентилятора и компрессора выполняют сложную работу по направлению воздушного потока в направлении увеличения давления. Разделение потока вызовет остановку, поэтому необходимо соблюдать осторожность, чтобы избежать каких-либо местных нарушений потока. Воздух также может забиваться внутри компрессора, поэтому иногда воздух сбрасывается из задних ступеней для контроля устойчивости. Чтобы избежать захлебывания в одной области, воздух нужно распределять равномерно. (Однако это больше проблема в усилителе или HPC, чем в вентиляторе). Еще одним требованием является снижение шума вентилятора.

Примечание. Биты в () в 1-м абзаце добавлены в последующем редактировании, чтобы включить отзывы в комментарии.

Потому что воздушный поток будет встречаться с передними кромками с разной скоростью (на ступице медленнее и требует большего угла атаки, а на внешней кромке быстрее и необходим точный шаг). Чтобы извлечь выгоду из всего доступного воздушного потока и не получить аэродинамический (для компрессора) застопорившийся воздух, к лопастям необходимо добавить скручивание. Таким образом, чтобы не было Stall of the Blades, это ответ.