Warum haben Lüfterflügel von Strahltriebwerken eine verdrehte Form?

Es gab Patentkriege bezüglich dieser Erfindung.

Was Sie zeigen, ist nicht nur eine Wendung, sondern auch ein abwechslungsreicher Schwung. Nach dem Patent von Rolls-Royce aus dem Jahr 1996 , das Gegenstand einer der Klagen war, lautet eine grundlegende Zusammenfassung wie folgt:

Dieses Merkmal erzeugt eine ausgeprägte Neigung auf mittlerer Höhe zur Luftströmungsverteilung über die Spannweite einer Laufschaufel, mit dem Ergebnis, dass die Luftströmung durch die Bereiche mittlerer Höhe des Strömungskanals erhöht wird und die Luftströmung durch die Spitzenbereiche verringert wird. Dies wirkt sich vorteilhaft auf den Gesamtwirkungsgrad der Schaufel aus.

Und

Nahe der Nabe 4 wird eine Vorwärtspfeilung verwendet, um der Rückwärtspfeilung der Außenbordabschnitte des Blatts 30 entgegenzuwirken, um die Konstruktion mechanisch realisierbar zu machen.

Wenn Sie sich das Bild in der Mitte ansehen, zeigt es, wie sich der Klingenwinkel ändert, je höher die$S_n$Nummer, desto weiter vom Hub entfernt. Und mit den beiden Geschwindigkeitsvektoren aus Rotation und Luftstrom ist klar, dass die mittleren Abschnitte den Großteil des Schubs erzeugen, was dazu beiträgt, die Spitzenverluste zu reduzieren.

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist "erhöhte Beständigkeit gegen Beschädigung durch Fremdkörper", "insbesondere Vogelschlag"; da der Großteil der oberen Oberfläche der Schaufeln nicht direkt nach vorne zeigt, wird weniger Aufprallenergie auf die Schaufeln übertragen.

Ich denke nicht, dass es richtig ist zu sagen, dass der gewünschte Schub entlang der gesamten Klinge gleich ist. Bei einem großen Turbofan-Blatt wie dem in Ihrem Bild wirkt der äußere Teil eher wie ein Propeller (effizient für die Bypass-Luft), während der innere Teil eher wie ein Kompressor wirkt (effizient für den Kern). Sie haben nicht unrecht, wenn Sie behaupten, dass die Drehung dazu beiträgt, den Anstellwinkel mit der Geschwindigkeit des Abschnitts zu optimieren, aber es geht mehr darum, die Schallgeschwindigkeit an der Spitze nicht zu brechen, als den Schub entlang der Klinge konstant zu halten.

Für jeden spezifischen Motor werden die Blätter jedoch hochgradig optimiert, basierend auf einer unglaublichen Menge komplexer CFD- und Windkanalanalysen, für die es keine einfache oder intuitive Zusammenfassung gibt. Das Design einer Turbofan-Schaufel wird hauptsächlich von mehreren Faktoren bestimmt

• aerodynamische Effizienz,
• strukturelle Effizienz,
• Lärm,
• Temperatur,
• Vibrationen und
• Widerstand gegen Vogelschlag.

All dies geht in die resultierende Form ein, aber es ist unwahrscheinlich, dass Sie Besonderheiten finden, die nicht Eigentum des Herstellers sind und für jedermann zur Analyse verfügbar sind. Gerade der Drall ist nur ein weiterer Parameter in der umfangreichen, komplizierten Optimierung.

Warum haben Lüfterflügel von Strahltriebwerken eine verdrehte Form?

Ihre Frage bezieht sich auf die Verdrehung der Lüfterflügel, aber eigentlich gilt die Antwort für fast alle rotierenden Flügel. Wenn eine Klinge nicht verdreht wäre, wäre der Anstellwinkel von ihrer Wurzel bis zu ihrer Spitze sehr unterschiedlich.

Twist gleicht den Anstellwinkel entlang der Länge aus. Ich sage zur Vereinfachung ausgleichen , der Winkel ist möglicherweise nicht so ausgelegt, dass andere Aspekte erfordern, dass die Klinge eine gewisse Variation des Anstellwinkels enthält, z Winkel ausgleichen.

Angriffswinkel

Der Anstellwinkel ist der Winkel zwischen Luftstrom und Blattsehne .

Damit das Blatt effizient ist, muss dieser Winkel nahe am maximalen Auftriebswinkel liegen, der für übliche Tragflächen etwa 15 ° beträgt:

Wir sprechen jedoch von der Richtung, aus der die Luft tatsächlich kommt, gesehen von der Klinge . Wenn sich das Flugzeug gerade und waagerecht bewegt, kommt die Pilotluft von vorne, dies gilt jedoch aufgrund der Blattrotation nicht für das Lüfterblatt.

Die durch Drehung erzeugte Geschwindigkeit (Tangentialgeschwindigkeit) hängt davon ab, ob sich der Punkt in der Nähe des Rotationszentrums (kleinere Geschwindigkeit) oder in der Nähe der Spitze (größere Geschwindigkeit) befindet.

Bei einem rotierenden Blatt ist die Luftrichtung die (Vektor-)Summe der Flugzeugtranslation, die die Fluggeschwindigkeit des Flugzeugs ist, und der Blattrotation. Die Summe hat einen festen Anteil, die Translation, und einen variablen Anteil, die Tangentialgeschwindigkeit am betrachteten Punkt:

Stellen wir uns vor, wir hätten den Anstellwinkel der Klinge an Position A angepasst. Was passiert an den Positionen B und C, wenn die Klinge nicht verdreht ist?

Wenn wir uns der Blattspitze nähern, steigt die Tangentialgeschwindigkeit relativ zur Vorwärtsgeschwindigkeit, sodass die Summe (lila) vertikaler wird. An den Stellen B ist der Anstellwinkel nun zu klein, bei C sogar negativ, das heißt, die Schaufel drückt Luft in die falsche Richtung.

Um die Drehung der Luftrichtung auszugleichen, wenn wir uns der Spitze nähern, muss die Klinge um einen Wert gedreht werden, der im Bild oben grau dargestellt ist. In der Nähe des Grundtons, wo die Vorwärtsbewegung am größten ist, liegt der Akkord nahe an der Bewegungsrichtung; In der Nähe der Spitze, wo die Tangentialgeschwindigkeit am größten ist, befindet sich die Sehne fast in der Rotationsebene des Lüfters:

^{Quelle: Die ausgezeichnete Björn-Ecke}

Auswirkung der Verdrehung: Unterschiedliche Häufigkeit

Der Anstellwinkel der Schaufeln an der Spitze ist kleiner als an der Nabe, da er sich mit einer höheren Geschwindigkeit als die Nabe bewegt

Nach dem, was besprochen wurde, können wir den tatsächlichen Anstellwinkel vom scheinbaren Winkel unterscheiden, der allgemein als Anstellwinkel oder Einfallswinkel bezeichnet wird, dh der Winkel zwischen der Motorlängsachse und der Sehne.

Bei einer verdrehten Klinge variiert der Einfall und ist an der Klingenspitze größer. Allerdings sollte der Anstellwinkel, der eigentlich drehzahlabhängig ist und visuell nicht beurteilt werden kann, mehr oder weniger konstant sein.

Fan-Blade-Spezifität in Turbofans

In Turbofans wirkt der Lüfter auf zwei getrennte Strömungen: Primärströmung, die kleinere Masse, die verwendet wird, um Gas zum Drehen der Turbine zu erzeugen; und sekundäre Strömung, die größte, die den Triebwerkskern umgeht und das Flugzeug antreibt.

Dementsprechend sind Fanschaufeln in solchen Triebwerken in zwei Abschnitten konstruiert. In der Nähe der Nabe sind Schaufeln Teil des Niederdruckkompressors, ihre Aufgabe ist es, den Druck zu erhöhen. An anderer Stelle beschleunigen sie die Luft ein wenig, um Schub zu erzeugen, wie ein Propeller.

Diese beiden Designs müssen mit ihren eigenen Einschränkungen und Optimierungen fertig werden, dies ergibt eine bestimmte Form. Moderne Lüfterflügel sind aus Titan/Aluminium-Sandwiches und Verbundwerkstoffen geformte hohle Sandwiches und sind vergleichsweise leichter und komplexer. Beim Rotieren werden sie insbesondere bei höheren Geschwindigkeiten weniger belastet als schwerere Schaufeln und können ohne Verformung breiter sein. Dies ermöglicht es, ihnen eine optimiertere Form zu geben, einschließlich Drehung, Verjüngung, Dieder, Sweep usw. Die Formentwicklung im Laufe der Zeit ist im letzten Bild dieser Antwort sichtbar.

Turbinenschaufeln (heißer Abschnitt) sind (in Sehnenrichtung) verdreht, da sie teilweise reaktives aeromechanisches Design und impulsförmiges aeromechanisches Design verwenden. (Die Schaufel wird aufgrund der Wirbelströmung auch in radialer Richtung verdreht. Siehe den letzten Absatz des Entwicklungsabschnitts hier . Dies wird auch in Frank Whittles Buch Gasturbine Aerothermodynamics erwähnt. Rolls Royces Buch "The Jet Engine" sagt auf Seite 50 : " Der Grund für die Verdrehung besteht darin, dass der Gasstrom aus dem Verbrennungssystem an allen Positionen entlang der Schaufellänge die gleiche Arbeit verrichtet und sichergestellt wird, dass der Strom mit einer gleichmäßigen Axialgeschwindigkeit in das Abgassystem eintritt. ")

Bei Lüfterflügeln bin ich mir nicht so sicher - ich denke, Ihre Antwort geht in die richtige Richtung (obwohl es besser ist, einen gleichmäßigen Druckanstieg als einen Schub zu sagen, obwohl dieser Druck letztendlich zu einem Schub führt), aber wenn dies der einzige Faktor war, der eine Rolle spielt Ich denke, die Klingenform wäre ein glatter Bogen von der Nabe bis zur Spitze, und das ist nicht der Fall. Normalerweise ist der Durchmesser des äußeren Bläsergehäuses in einer Gasturbine relativ gerade, aber die Nabe dehnt sich aus, wenn die Luft durch den Bläser strömt, dann in den Kompressor, wo die Luft durch eine Biegung strömt. Die Luft bewegt sich also in axialer und radialer Richtung. Dies kann ein zusätzlicher Faktor sein, der dazu führt, dass Lüfterflügel verdreht werden. Lüfter- und Kompressorschaufeln haben die schwierige Aufgabe, die Luft in Richtung steigenden Drucks strömen zu lassen. Strömungsablösung führt zu Strömungsabriss, Daher muss darauf geachtet werden, lokale Strömungsstörungen zu vermeiden. Die Luft kann auch innerhalb eines Kompressors ersticken, weshalb manchmal Luft aus den hinteren Stufen zur Stabilitätskontrolle abgelassen wird. Um ein Ersticken in einem Bereich zu vermeiden, muss die Luft gleichmäßig verteilt werden. (Dies ist jedoch eher ein Problem im Booster oder HPC als im Lüfter). Die Reduzierung der Lüftergeräusche ist eine weitere Anforderung.

Hinweis: Bits in () im 1. Absatz wurden in der nachfolgenden Bearbeitung hinzugefügt, um Feedback in Kommentare aufzunehmen.

Weil der Luftstrom mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten auf die Vorderkanten trifft (an der Nabe ist er langsamer und benötigt mehr AOA und an der Außenkante ist er schneller und es wird eine feine Steigung benötigt). Um den gesamten verfügbaren Luftstrom zu nutzen und keine aerodynamisch (für Kompressoren) abgewürgte Luft zu erhalten, muss die Verdrehung zu den Blättern hinzugefügt werden. Kein Stall of the Blades zu haben, ist die Antwort.