УСТРОЙСТВО ДЛЯ УДЕРЖАНИЯ ОТОРВАВШИХСЯ ЛОПАТОК В ДВУХКОНТУРНОМ ТУРБОРЕАКТИВНОМ ДВИГАТЕЛЕ Российский патент 2011 года по МПК F01D25/24 F01D21/04 

Изобретение относится к области авиационного машиностроения и может быть использовано при проектировании, изготовлении и эксплуатации авиационных двигателей.

Известны технические решения, направленные на удержание оторвавшихся лопаток и их фрагментов как силовым жестким корпусом вентилятора [Пейчев Г.И., Николаевский С.В., Вигант Ю.В. Композиты в авиадвигателях семейства Д-36. - Технологические системы: научно-технический журнал, 2000, №2(4), стр.15-21], так и устройствами, установленными на корпусе в виде чехлов, тороидальных камер и т.п., в которых предусмотрены кольцевые полости между корпусом и чехлом, корпусом и камерой, заполненные легкими жесткими материалами или, например, сотами [патент США №6814541].

Удержание лопаток и их осколков жестким корпусом обеспечивает только частичное поглощение энергии за счет локального сопротивления упругих свойств материалов корпуса и их частичного разрушения, а основная часть энергии поглощается путем рикошетирования лопаток от стенок корпуса в проточную часть вентиляторного контура. При этом разрушившаяся лопатка соударяется с остальными лопатками на роторе и другими элементами конструкции двигателя неопределенным образом и выбрасывается за пределы двигателя. Кроме того, такие конструкции имеют большие габариты и массу, не позволяющие вписать (адаптировать) их в компоновку существующих авиадвигателей без изменения смежных узлов и агрегатов.

Удержание лопаток с помощью устройств типа нежестких чехлов, установленных на корпусе вентилятора, предполагает более высокую степень эффективности поглощения энергии по отношению к жесткому корпусу без чехла и вносит некоторую определенность, когда оторвавшаяся лопатка не рикошетирует в проточную часть, а улавливается чехлом и застревает между чехлом и корпусом вне проточной части вентиляторного контура. При этом уменьшается вероятность соударения застрявшей в чехле лопатки с остальными лопатками.

Наиболее близким к заявляемому устройству для удержания оторвавшихся лопаток является решение, изложенное в патенте США №6814541 от 07.10.2002. Предлагается устройство защитной оболочки корпуса вентилятора авиационного турбовентиляторного двигателя, состоящей из внутренней сотовой алюминиевой конструкции и наружного чехла многослойного варианта на основе полиуретана, армированного материалом типа Kevlar.

Основным недостатком данного технического решения являются большие габариты устройства, связанные с необходимостью создания специальной объемной кольцевой камеры, заполненной сотами, для размещения - «улавливания» в ней оторвавшейся лопатки и передвижения в окружном направлении между наружным удерживающим чехлом и корпусом вентилятора с целью максимального поглощения энергии.

Технической задачей предлагаемого изобретения является:

1. Повышение надежности устройства для удержания оторвавшихся лопаток или их фрагментов в двухконтурном турбореактивном двигателе с целью обеспечения безопасности полетов.

2. Повышение баллистической эффективности и демпфирующей способности удерживающего устройства при минимальных массе и габаритах конструкции в жестких габаритных и массовых ограничениях, связанных с тем, что корпус вентилятора с удерживающим устройством должен вписаться (адаптироваться) без изменений смежных узлов и агрегатов в существующий авиадвигатель с некоторой модификацией.

Сущность изобретения заключается в том, что в устройстве для удержания оторвавшихся лопаток, установленном на корпусе вентилятора двухконтурного турбореактивного двигателя, выполненном в виде чехла, содержащем защитную оболочку из волокнистого материала, охватывающую корпус по наружной поверхности, защитная оболочка выполнена с кольцевыми гофрами из слоев высокопрочной ткани, намотанной и закрепленной на корпусе жгутом, намотанным между гофрами, через промежуточный слой легкодеформируемого материала или колец из него, например колец из пористой резины, которые образуют в процессе удержания кольцевой зазор между защитной оболочкой и корпусом и местную полость в виде «ловушки» лопатки. По периметру под защитной оболочкой на корпусе вентилятора могут быть установлены завальцованные по окружности металлические пластины с нахлестом в сторону вращения ротора, которые скреплены между собой легкоразрушаемым механическим или клеевым соединением, например, с помощью заклепок или клея.

Технический результат достигается тем, что с целью обеспечения максимальной баллистической эффективности и демпфирующих свойств при жестких габаритных и массовых ограничениях защитная оболочка выполнена с кольцевыми гофрами из слоев высокопрочной ткани, например органоткани типа «Русар», намотанной и закрепленной на корпусе жгутом, намотанным между гофрами через промежуточный слой легкодеформируемого материала или колец из него, например колец из пористой резины. Кольца образуют исходный кольцевой зазор заданного размера между корпусом и оболочкой, который в процессе удара лопаткой и пробития силовой стенки корпуса выбирается по периметру путем натяжения оболочки, обжимая резиновые кольца. Натянутая оболочка, расправляя гофры, образует местную полость в виде «ловушки» достаточных размеров для радиального и тангенциального внедрения и движения с торможением лопатки под оболочкой. Таким образом, обеспечивается поглощение основной части кинетической энергии удара лопатки за счет сопротивления волокон ткани с упругими свойствами, возникающих сил трения и демпфирования, с частичным разрушением элементов устройства и корпуса вентилятора. Защитная оболочка удерживает лопатку и ее осколки «в ловушке», снижая вероятность соударения с остальными лопатками на роторе. Для уменьшения эффекта «резания» защитной оболочки острыми кромками лопатки и распределения силы удара лопаткой на наибольшую поверхность оболочки по периметру под оболочкой установлены завальцованные по окружности металлические пластины с нахлестом в сторону вращения ротора, которые скреплены между собой легкоразрушаемым механическим или клеевым соединением, например, с помощью заклепок.

Таким образом, предлагаемое устройство позволяет обойтись без специальных кольцевых камер больших габаритов для улавливания лопатки подобно патенту США №6814541.

На фиг.1 представлен эскиз предлагаемого устройства для удержания оторвавшихся лопаток, установленного на корпус вентилятора:

1 - корпус вентилятора, выполненный из металлических или композиционных материалов;

2 - гофрированная защитная оболочка, выполненная из многочисленных слоев высокопрочной ткани, например органоткани типа «Русар;

3 - жгуты из высокопрочных волокон, например типа «Русар», крепящие защитную оболочку на корпусе с образованием заданного количества гофр;

4 - кольца из пористой резины, образующие исходный кольцевой зазор заданных размеров между корпусом и защитной оболочкой;

5 - завальцованные по окружности металлические пластины, установленные на корпусе по периметру под защитной оболочкой;

6 - оторвавшаяся лопатка (на фиг.1 и 2 условно показана одна лопатка);

7 - заклепки;

8 - местная полость в виде «ловушки».

Схема работы предлагаемого устройства для удержания лопаток вентилятора и их фрагментов с условно разложенным движением на радиальную и окружную составляющие представлена:

- на фиг.2 - исходное положение (вид А-А фиг.1);

- на фиг.3 - движение лопатки в радиальном направлении;

- на фиг.4 - движение лопатки в окружном направлении.

I стадия (фиг.3). Частичное поглощение энергии происходит за счет деформации и местного разрушения в процессе пробития лопаткой 6 отверстия в корпусе 1, изготовленном из металлического или композиционного материала.

II стадия (фиг.3). Частичное поглощение энергии за счет деформации металлических пластин 5 и разрыва легкоразрушаемого соединения пластин по местам нахлестов, скрепленных заклепками 7. Также происходят распределение энергии удара на наибольшую поверхность защитной оболочки 2 и уменьшение эффекта резания ее острыми кромками лопатки 6.

III стадия (фиг.3). Частичное поглощение энергии за счет радиального перемещения пластин 5 совместно с защитной оболочкой 2 путем выборки заданного исходного зазора с обжатием легкодеформируемых резиновых колец 4 по периметру корпуса 1 и образованием расчетной по величине местной полости в виде «ловушки» 8.

IV стадия (фиг.3, 4). Частичное поглощение энергии путем разрыва жгутов 3 и распрямления гофр под натяжением при ударе лопатки 6, при которых создается дополнительное трение между слоями ткани и волокнами. При этом увеличивается объем «ловушки» 8, обеспечивающий размещение и фиксацию в ней оторвавшейся лопатки и ее осколков.

V стадия (фиг.3, 4). Лопатка 6, не преодолевшая сопротивления на стадиях I…IV, чтобы пробить защитную оболочку 2, продолжает передвигаться в «ловушке» 8 под оболочкой 2 в окружном направлении на значительно большем участке пути, чем в радиальном направлении, вплоть до фиксации - «улавливания», поглощая наибольшую часть энергии за счет сопротивления волокон ткани с упругими свойствами и возникающих сил трения и демпфирования.

При этом необходимо отметить, что исходный зазор (или толщина резиновых колец) и соответствующие размеры «ловушки» определяются в первом приближении расчетным путем и уточняются по результатам испытаний.

Результаты баллистических испытаний гофрированной защитной оболочки из органоткани типа «Русар» на модельном образце корпуса вентилятора в масштабе 1:3 по предлагаемой схеме показали увеличение баллистической эффективности более чем в 2 раза по отношению к защитной оболочке без гофр при прочих равных условиях. При скоростной съемке телекамерой процесса удара и движения имитатора лопатки в «ловушке» в окружном направлении зафиксирован положительный эффект демпфирования с обратным перемещением имитатора после остановки.

Подобные испытания на модельных образцах позволяют прогнозировать габаритные размеры, толщину и массу защитной оболочки по предлагаемой конструктивной схеме.

Таким образом, предлагаемое устройство для удержания оторвавшихся лопаток вентилятора позволяет повысить баллистическую эффективность, демпфирующие свойства и массовые характеристики защитной оболочки и корпуса вентилятора в целом за счет постадийной оптимизации степени поглощения энергии по элементам конструкции корпуса и защитной оболочки при жестких габаритных и массовых ограничениях. При этом основная роль в поглощении наибольшей доли энергии оторвавшейся лопатки отводится защитной гофрированной оболочке.

Устройство для удержания оторвавшихся лопаток устанавливается на корпусе вентилятора двухконтурного турбореактивного двигателя. Устройство выполнено в виде чехла и содержит защитную оболочку из волокнистого материала, охватывающую корпус по наружной поверхности. Защитная оболочка выполнена с кольцевыми гофрами из слоев высокопрочной ткани, намотанной и закрепленной на корпусе жгутом. Жгут намотан между гофрами через промежуточный слой легкодеформируемого материала или колец из него, например колец из пористой резины. Кольца образуют в процессе удержания кольцевой зазор между защитной оболочкой и корпусом и местную полость в виде «ловушки» лопатки. По периметру под защитной оболочкой на корпусе вентилятора могут быть установлены завальцованные по окружности металлические пластины с нахлестом в сторону вращения ротора. Пластины скреплены между собой легкоразрушаемым механическим или клеевым соединением, например, с помощью заклепок или клея. Устройство позволяет повысить баллистическую эффективность, демпфирующие свойства и массовые характеристики защитной оболочки и корпуса вентилятора в целом за счет постадийной оптимизации степени поглощения энергии по элементам конструкции корпуса и защитной оболочки. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Устройство для удержания оторвавшихся лопаток, установленное на корпусе вентилятора двухконтурного турбореактивного двигателя, выполненное в виде чехла, содержащее защитную оболочку из волокнистого материала, охватывающую корпус по наружной поверхности, отличающееся тем, что защитная оболочка выполнена с кольцевыми гофрами из слоев высокопрочной ткани, намотанной и закрепленной на корпусе жгутом, намотанным между гофрами, через промежуточный слой легкодеформируемого материала или колец из него, например колец из пористой резины, которые образуют в процессе удержания кольцевой зазор между защитной оболочкой и корпусом и местную полость в виде «ловушки» лопатки.

2. Устройство для удержания оторвавшихся лопаток, установленное на корпусе вентилятора двухконтурного турбореактивного двигателя по п.1, отличающееся тем, что по периметру под защитной оболочкой на корпусе вентилятора установлены завальцованные по окружности металлические пластины, с нахлестом в сторону вращения ротора, которые скреплены между собой легкоразрушаемым механическим или клеевым соединением, например с помощью заклепок или клея.