ЛОПАТКА ОСЕВОГО КОМПРЕССОРА Российский патент 2003 года по МПК F04D29/38 

Изобретение относится к области турбинного машиностроения, а именно к конструкциям рабочих лопаток осевых компрессоров, в частности газотурбинных двигателей.

Серьезными факторами, определяющими эксплуатационные характеристики, в том числе ресурс современных роторов (особенно роторов вентиляторов с широкохордными лопатками), являются жесткость, прочность и масса рабочих лопаток. В настоящее время комплексное решение проблемы обеспечения требуемых параметров жесткости, прочности и массы рабочих лопаток достигается применением рабочих колес, выполненных заодно с лопатками и получивших название конструкции типа "блиск" [1]. Существенными недостатками таких конструкций являются высокая стоимость изготовления, низкий процент выхода готовой продукции, практически непреодолимые технологические трудности при изготовлении крупногабаритных изделий (лопаток современных вентиляторов), низкая ремонтопригодность и, главное, тупиковое положение (надо начинать все заново) при появлении в эксплуатации нерасчетных вынужденных высокочастотных колебаний или автоколебаний (явлений типа флаттер). Таким образом, известное направление разработок является неэкономичным, и поэтому создание конструкций отдельно выполненных рабочих лопаток, соединенных с ротором традиционными методами, по-прежнему остается актуальным.

Наиболее близким техническим решением, выбранным за прототип, может быть принята композиционная лопасть осевого вентилятора [2]. Прототип относится к области машиностроения, в частности к конструкциям лопастей из композиционных материалов для рабочих колес осевых вентиляторов больших диаметров, которые могут быть использованы, например, в градирнях и позволяют повысить надежность работы вентиляторов при его длительной эксплуатации со знакопеременными нагрузками и одновременно уменьшить общий вес вентиляторов. Перо лопасти вентилятора выполнено из композиционного материала в виде тонкостенной оболочки, образующей крыльевой профиль лопасти, переходную и комлевую части лопасти, которые представляют собой круглый стержень и выполнены так, что предоставляют возможность непосредственного крепления к втулке рабочего колеса вентилятора. Во внутренней полости лопасти, образованной тонкостенной оболочкой, расположен армирующий элемент, выполненный из композиционного материала и состоящий, по меньшей мере, из двух силовых профилей переменной высоты, силовые профили соединены с тонкостенной оболочкой и разделяют внутреннюю полость лопасти на части, каждая из которых заполнена наполнителем из самовспенивающегося материала,
Описанная конструкция (прототип) лопасти удачно использует превосходные качества композиционных материалов при эксплуатации лопасти в поле центробежных нагрузок и может быть рекомендована при создании лопаток большого удлинения. Вместе с тем крутильная и поперечная жесткости и прочности конструкции прототипа определяются в основном жесткостью и прочностью только тонкостенной оболочки. Для большинства современных широкохордных лопаток, лопаток малого удлинения, для которых характерно появление крутильных и пластинчатых форм колебаний в пределах рабочих режимов эксплуатации, жесткости и прочности тонкостенной обшивки недостаточно для создания работоспособной конструкции.

Целью изобретения является создание облегченной конструкции лопатки ротора осевого компрессора с требуемой жесткостью и необходимой прочностью для всех основных режимов эксплуатации, а также позволяющей адаптировать ее с нерасчетными внешними нагрузками без принципиальных изменений.

Цель достигается тем, что лопатка осевого компрессора содержит профилированную обшивку, внутри которой смонтированы несущие элементы в виде силовых стержней с комлями, отличающаяся тем, что стержни выполнены с перемычками и с распорками, каждая из которых ответвляется от одного из них и присоединена к соседнему, причем комли силовых стержней охватываются профилированной обшивкой, образующей замкнутую конструкцию, жестко связанную со стержнями.

На фиг.1 изображен осевой компрессор; на фиг.2 - рабочее колесо; на фиг. 3 - лопатка; на фиг. 4 изображена внутренняя структура лопатки осевого компрессора; на фиг.5 изображены несущие элементы, составляющие внутреннюю структуру лопатки.

Ротор компрессора 1 имеет в своем составе лопатку 2 (фиг.1, 2 и 3). Лопатка 2 состоит из трех характерных частей, а именно профильная часть 3, хвостовик 4 и ножка 5. Конструкция лопатки состоит из несущих элементов 6 (фиг. 4), выполненных из высокопрочных и высокомодульных композиционных материалов, и двух тонкостенных обшивок 7 (фиг.4). Несущие элементы являются основными силовыми элементами, несущими статические и переменные нагрузки, имеющие место на основных режимах эксплуатации изделия, для чего имеют комли 8 в области хвостовика, а тонкостенная обшивка предназначена для оформления газодинамической поверхности лопатки со стороны наименьшей и наибольшей поверхностей давления и передачи поверхностных нагрузок на несущие элементы. Несущие элементы (фиг. 3) выполняются трех типов: продольные стержни 9, стержни перемычки 10 и стержни распорки 11.

Несущие элементы 6 изготавливаются из однонаправленно-армированного композиционного материала на металлической или полимерной матрице. Несущие элементы 6 являются силовыми элементами конструкции, так как простираются от периферийной части лопатки до подошвы хвостовика 4, где оформляют замковое соединение (комель несущих элементов 8), например, в виде профиля "ласточкин хвост". При этом продольные стержни 9 (фиг.3) обеспечивают необходимую продольную жесткость лопаток, способствуя решению проблемы радиальных зазоров, и их несущую способность при действии центробежных нагрузок и изгибных колебаниях. Несущие стержни перемычки 10 и стержни распорки 11 обеспечивают необходимую крутильную и поперечную жесткости конструкции и позволяют решить проблемы раскрутки лопатки, ее сопротивления поперечным и крутильным формам колебаний, включая и автоколебаниям. Количество и размеры несущих элементов, их конкретная пространственная форма с разветвлениями (раздваивание, растраивание и т.д.) и месторасположением устанавливаются при проектировании лопатки с требуемой жесткостью и необходимой прочностью для заданных условий эксплуатации изделия. При необходимости изменение только геометрических параметров и количества несущих элементов 6 (т.е. внутреннего строения лопатки без изменения ее внешней аэродинамической формы) позволяет избавиться от любых опасных эксплуатационных нагрузок, получить наиболее благоприятные частотные характеристики лопатки 2, повысить тем самым долговечность и надежность изделия в целом.

Тонкостенная обшивка 7 простирается от периферийной части профиля 3 лопатки до ее хвостовой части 4, где играет роль контактной прослойки между замковым пазом диска и комлем 8 несущих стержней. Тонкостенная обшивка 7 может изготавливаться из металлических или полимерных композиционных материалов с требуемой износостойкостью.

В зависимости от материала тонкостенной обшивки 7 соединение ее с несущими элементами 6 в конструкции лопатки 2 осуществляется по всей боковой поверхности несущих элементов 6 посредством либо специального клея, либо диффузионного сращивания или пайки.

Для увеличения жесткости конструкции внутренние полости между несущими элементами 6 и тонкостенной обшивкой 7 могут быть заполнены, при необходимости, самовспенивающимся материалом.

Источники информации
1. Самаров В.Н., Кратт Е.П., Магеррамова Л.А., Захарова Т.П. Перспективы применения технологии горячего изостатического прессования для изготовления блиск-колес турбин из комбинаций порошковых и литейных жаропрочных никелевых сплавов // Новые технологические процессы и надежность ГТД. Вып.1. М.: ЦИАМ. 2000. с.100-102.

2. Патент России RU 2145004 (Индекс МПК F 04 D 29/38).

Лопатка предназначена для использования в области турбинного машиностроения. Лопатка содержит стержни. Последние выполнены с перемычками и с распорками. Каждая из последних ответвляется от одного из стержней и присоединена к соседнему стержню. Комли силовых стержней охватываются профилированной обшивкой. Последняя образует жестко связанную со стержнями замкнутую конструкцию. Обеспечивается создание облегченной конструкции лопатки ротора осевого компрессора. 5 ил.

Лопатка осевого компрессора, содержащая профилированную обшивку, внутри которой смонтированы несущие элементы в виде силовых стержней с комлями, отличающаяся тем, что стержни выполнены с перемычками и с распорками, каждая из которых ответвляется от одного из них и присоединена к соседнему, причем комли силовых стержней охватываются профилированной обшивкой, образующей замкнутую конструкцию, жестко связанную со стержнями.