Поскольку размеры профилей сечения пера находится в зависимости от числа лопаток в венце, то процесс проектирования пера по существу совпадает с проектированием венца в целом. Поэтому если рассматривать перо как сплошное, не имеющего полостей тело, то постановка задачи проектирования будет выглядеть следующим образом:
Известно:
1. Форма меридионального сечения венца.
2. Эпюры термодинамических и кинематических параметров рабочего тела на входе в венец и их расчётное значение на выходе.
3. Прочностные характеристики материала и предполагаемая технология изготовления лопатки.
Требуется:
1. Определить такую конструкцию пера, которая бы обеспечила расчётное преобразования параметров потока в венце.
2. Обладала статической и динамической прочностью в течение всего ресурса двигателя.
3. Могла быть изготовлена на предприятии.
Сложность проектирования лопаточного венца заключается в том, создаваемую конструкцию необходимо рассматривать в разных аспектах:
- энергетическом;
- прочностном;
- технологическом.
При всей противоречивости этих аспектов, всё же удается найти компромисс благодаря возможности выделить отдельные параметры, которые оказывают наибольшее влияние на выполнение пером своих функций.
Решается многоплановая задача проектирования.
1. Для обеспечения заданного расхода через венец достаточно правильно рассчитать площадь минимального сечения.
2. Для обеспечения прочности достаточно правильно выбрать площади, моменты сопротивления профилей и правильно разместить их центры тяжести.
3. Для обеспечения заданных параметров рабочего тела на выходе из венца достаточно в контрольных сечениях правильно выбрать параметры профилей.
4. Для получения минимума коэффициента потерь у решётки лопаток достаточно выбрать её оптимальный шаг, конструктивный угол входа, а также скругление выходной кромки сделать минимально возможным радиусом.
5. Для обеспечения заданного выхода угла потока достаточно выбрать правильно для компрессорной решётки и для турбинной решётки .
6. Для получения заданных значений площади правильно выбрать её хорду и максимальною толщину.
Классификация инженерных методов профилирования лопаток
Структура профилей компрессоров и турбин лопаток (спинка, корыто) принципиально не отличаются, но методы построения профиля часто оказываются разными.
Современные методы профилирования делится на 2 группы:
1. Методы, основанные на деформации или изгибе симметричного аэродинамического или крылового профиля.
2. методы непосредственного построения спинки и корыта профиля.
Методы 1-й группы отличаются видом используемого уравнения средней линии или формы исходного симметричного профиля. А 2-й группы характером кривых образующих контуры спинки и корыта. При проектировании профилей компрессорных решёток используются в основном методы 1-й группы, при проектировании турбинной – 2-й.
Проектирование решётки компрессора
на базе теории обтекания крылового профиля.
В качестве исходного профиля выбирают симметричный крыловой профиль. Для образования изогнутого профиля путём деформации средней линии геометрия определяется однозначно минимальным набором параметров:
4) - максималҗный относителҗный прогиб средней линии.
5) - максималҗная толщина профиля.
Малое число исходных профилей и минимальный набор исходных данных даёт явное преимущество методу деформаций, но из-за необходимости обеспечить вибрационную прочность нередко приходится менять толщины выходных и входных кромок, а с целью воздействия на характер течения в межлопаточных каналах иногда приходится варьировать и. Всё это приводит к необходимости корректировки выбранного профиля.
Методы непосредственного построения спинки и корыта широко используют статистические зависимости, полученные обработкой материалов по выполненным конструкциям. Они также позволяют уменьшить количество необходимых исходных данных. Прослеживается тенденция сближения этих методов, что приведёт к появлению единого подхода решения этой задачи, т. е к отказу от использования симметричного крылового профиля.
Процесс проектирования укрупнено иллюстрируется следующей блок-схемой:
1. Определение в первом приближении геометрических параметров профиля и решетки, необходимых для их построения
2. Проверка совместимости исходных данных
3. Обработка остановов с выводом информации на дисплей
4. Образование контура профиля в 1-м приближении
5. Проверка: профиль построен?
6. Определение площади профиля, как параметра определяющего прочность лопатки в сечении
7. Проверка: полученная площадь = заданной?
8. Вычисление коэффициентов потерь в решётке и угла выхода потока
9. Проверка:?
10. Детальный расчёт прочностных и газодинамических характеристик профиля и решётки. Документирование.
Логические блоки 2 и 5, если решение не принято передают блоку 3, который выводит сообщение на дисплей. Логические блоки 7 и 9, если решение не принято передают блоку 4, где производится необходимая корректировка.
Образование профилей компрессорных решёток
Симметричные крыловые профили, используемые в качестве базовых для компрессорных решёток отличаются относительной простотой. Также просты аналитические выражения для средней линии изогнутого профиля. Накоплено достаточное количество методик подкреплённых статистическим и экспериментальным материалом.
Для расчётов на прочность и производственного контроля поверхности используются плоские сечения пера лопатки, которые лежат в плоскости перпендикулярной радиальной оси лопатки.
Все газодинамические расчёты на поверхности тока, обычно близки к каноническим.
Профилирование лопаток по методам плоских сечений при значительной конусности проточной части и малых относительных диаметров втулки венца может привести к погрешностям определения конструктивных углов, на, что для компрессорных венцов не допустимо.
Для простоты ограничимся рассмотрением построения плоского профиля, в которых пересчёт уже выполнен.
На рис. г представлена связь между основными геометрическими параметрами средней линии при установки профиля в решётку.
Рис. а пунктирными линиями показывает исходный крыловой профиль, у которого максимальная относительная толщина и размещена на
Относительное значение абсцисс для профиля, пересчитывается исходного профиля
Относительное значение ординат симметричного профиля, для которого можно подсчитать:
Аналогичный приём используется при подсчёте координат симметричного профиля в случаи изменения радиуса скругления входных и выходных кромок.
Следующим этапом построения средней линии профиля рис. б.
Средняя линия, на которую наращивается симметричный профиль, образуется кривыми простой формы:
1. одной дугой
2. параболой, синусоидой
Разные формы средней линии выбираются в основном из числа Маха набегающего потока.
Граничные условия: и относительное удаление максимального прогиба
Связь между этими величинами и углами и представлена на рис г.
Координаты средней линии (если это парабола)
Следует отметить, что парабола в качестве средней линии широко применяется при проектировании лопаточных венцов дозвукового потока.
Контур изогнутого профиля получается наращиванием его средней линии корректировочного профиля
Ординаты симметричного профиля могут быть отложены от средней линии перпендикулярной хорде
Полученный такой контур позволяет найти площадь, статические моменты инерции: и моменты сопротивления, а также положение главных осей инерции и относительно оси
, а также скругление выходной кромки сделать минимально возможным радиусом.
достаточно выбрать правильно для компрессорной решётки 
и для турбинной решётки 
.
- углы входа и выхода лопаточной решетки.
- хорда профиля.
- относителҗная координата располоңения максималҗной толщины профиля.
- максималҗный относителҗный прогиб средней линии.
- максималҗная толщина профиля.
?
, что для компрессорных венцов не допустимо.
и размещена на 
для профиля
, пересчитывается 
исходного профиля
можно подсчитать:
и относительное удаление максимального прогиба 
и 
представлена на рис г.
и моменты сопротивления, а также положение главных осей инерции 
и 
относительно оси 