ЗАЩИТНАЯ НАКЛАДКА КОМПОЗИТНОЙ ЛОПАТКИ ТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2017 года по МПК F01D5/14 F01D5/28 F04D29/38 

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Область техники изобретения - турбинные двигатели, в частности лопатки турбинных двигателей, выполненные из композитного материала. При этом настоящее изобретение главным образом относится к металлической защитной накладке передней кромки лопатки турбинного двигателя.

Следует напомнить, что передняя кромка соответствует переднему участку аэродинамического профиля, обращенному к воздушному потоку и разбивающему воздушный поток на нагнетательный воздушный поток и всасывающий воздушный поток. Наоборот, задняя кромка соответствует заднему участку аэродинамического профиля, где потоки со стороны нагнетания и стороны всасывания воссоединяются.

Лопатки турбинных двигателей, в частности лопатки вентилятора, подвергаются напряжениям высокого уровня, в частности механическим напряжениям. Таким образом, принято оснащать лопатки вентилятора, выполненные из композитного материала, металлическим армированием конструкции, продолжающимся по всей высоте аэродинамического профиля и точно соответствующим форме передней кромки, как упоминалось в заявке FR 2732406 от имени заявителя. Такое металлическое армирование конструкции служит для защиты комплекта композитных лопаток при соударении с вентилятором инородного тела, например птицы, града и, разумеется, камней. В частности, металлическое армирование конструкции защищает переднюю кромку лопатки, выполненной из композитного материала, чтобы избежать риска расслоения, разрыва волокон и, конечно же, повреждения вследствие потери сцепления между волокнами и матрицей.

Традиционно металлическое армирование конструкции представляет собой металлическую деталь, выполненную из титана, образованную двумя штампованными металлическими листами из сплава типа TA6V, сваренными вместе при высокой температуре, чтобы образовать единый блок материала. Однако такая деталь имеет большой вес, однако при этом может оказаться недостаточно прочной, в частности с увеличением размера лопаток, полученных литьевым прессованием полимера (RTM), в частности для турбинных двигателей очень больших размеро, или при существенном увеличении длины и ширины лопатки. Кроме того, получаемая плотность материала в этом случае неизменна, что плохо приспособлено к форме передней кромки, которая изменяется по своей высоте.

ЗАДАЧА И СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В этой связи задача изобретения заключается в устранении вышеупомянутых недостатков современного металлического армирования конструкции, предложив усовершенствованную металлическую арматуру конструкции, в которой прочность повышается, а плотность материала может изменяться простым и быстрым способом.

Данная задача решается арматурой конструкции композитной лопатки турбинного двигателя, при этом арматура предназначена для адгезионного сцепления с передней кромкой упомянутой лопатки и создания по всей ее высоте сечения по существу V-образной формы, основание которого расширено с помощью двух боковых поверхностей, при этом армирование отличается тем, что включает в себя установленный, по меньшей мере, в одном приемном пространстве на упомянутом основании узел из множества пучков волокон, определяющих содержание волокон, которое варьируется по всей высоте упомянутого приемного пространства.

Таким образом, плотность арматуры может быть адаптирована к его форме, при этом более высокая плотность - вблизи вершины лопатки, а меньшая плотность - вблизи основания лопатки.

Предпочтительно волокна, составляющие пучок волокон, удерживаются на месте с помощью, по меньшей мере, одного кольца, расположенного на каждом конце упомянутого пучка волокон, при этом упомянутые кольца имеют диаметр, увеличивающийся с увеличением числа пучков волокон, которые кольца удерживают вместе.

Предпочтительно арматура образована двумя участками, которые должны быть сварены между собой, при этом упомянутое, по меньшей мере, одно приемное пространство для размещения упомянутых пучков волокон образовано путем соединения между собой двух обращенных друг к другу канавок, каждая из которых образована на соответствующем одном из упомянутых двух участков, при этом канавки соединяются между собой в процессе сварки.

В зависимости от рассматриваемого варианта осуществления упомянутый узел из множества пучков волокон может включать в себя, по меньшей мере, два концентрических пучка волокон, трубчатый пучок, имеющий первую длину, а также кольцевой пучок, накрывающий часть первого пучка волокон и имеющий вторую длину, которая меньше упомянутой первой длины, чтобы определить первое содержание волокон по длине нахлеста первого и второго пучков волокон, а также второе содержание волокон по оставшейся длине, при этом упомянутая длина нахлеста может быть образована упомянутой второй длиной и упомянутой оставшейся длиной, образованной упомянутой первой длиной, либо, разумеется, упомянутый узел может содержать четыре концентрических пучка волокон, при этом круговой четвертый пучок волокон имеет четвертую длину, перекрывающую участок кругового третьего пучка волокон, имеющего третью длину, который сам накрывает участок упомянутого второго пучка волокон, имеющего вторую длину, чтобы определить третье и четвертое содержание волокон по длинам нахлеста третьего и четвертого пучков волокон соответственно.

Предпочтительно упомянутое приемное пространство образует замкнутое пространство, продолжающееся в продольном направлении упомянутого армирования конструкции и имеющее диаметр, изменяющийся поэтапно, чтобы соответствовать диаметру пучка волокон, который в нем размещается. Изобретение также касается любой лопатки, включающей указанное выше армирование конструкции, а также турбинного двигателя, в состав которого входит, по меньшей мере, одна такая лопатка.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Другие характеристики и преимущества настоящего изобретения станут очевидными из последующего описания, приведенного со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показан:

фиг. 1 изображает лопатку вентилятора турбинного двигателя на виде сбоку;

фиг. 2 и 3 изображают частичные разрезы лопатки по фиг. 1, иллюстрирующие металлическую арматуру конструкции передней кромки согласно изобретению на двух различных высотах;

фиг. 4 изображает узел пучков волокон, помещенный на место в приемное пространство у основания металлической арматуры конструкции по фиг. 3 с целью изменения плотности материала.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТА ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

На фиг. 1 показан вид сбоку лопатки, например, совершающей движение лопатки вентилятора турбинного двигателя (не показан), которая включает в себя металлическую арматуру конструкции ее передней кромки согласно изобретению. Лопатка 10 содержит аэродинамическую поверхность или аэродинамический профиль 12, крепящийся к основанию 14 и продолжающийся в аксиальном первом направлении 16 между передней кромкой 18 и задней кромкой 20, а также в радиальном втором направлении 22, по существу перпендикулярном первому направлению 16, между упомянутым основанием 14 и вершиной 24 лопатки. Боковые поверхности аэродинамического профиля 12, соединяющие между собой переднюю кромку 18 и заднюю кромку 20, образуют боковую поверхность 26 всасывания и боковую поверхность 28 нагнетания лопатки.

Традиционно аэродинамический профиль 12 выполнен из композитного материала, полученного путем формования тканого волокнистого полотна или придания ему требуемой формы. Например, используемый композитный материал может представлять собой блок, в состав которого входят переплетенные углеродные волокна и эпоксидная полимерная матрица, при этом блок образован путем инжекционного формования с использованием технологии литьевого прессования полимера (RTM).

Лопатка 10 также имеет арматуру 30 конструкции, адгезионно связанную с передней кромкой лопатки и продолжающуюся как в первом направлении 16 за пределы передней кромки 18, так и во втором направлении 22 между основанием 14 и вершиной 24 лопатки.

Как показано на фиг. 2, арматура 30 конструкции точно соответствует форме передней кромки 18 аэродинамического профиля 12 лопатки 10, которую она защищает, чтобы образовать переднюю кромку 32 лопатки. Традиционно эта арматура 30 конструкции представляет собой цельную деталь, либо, как показано, она может быть выполнена в виде двух участков 30A и 30B для сваривания вместе и содержания сечения по существу V-образной формы, представляющего основание внешнего профиля, образующего переднюю кромку 32 лопатки, а также закругленного внутреннего профиля, пригодного для точного соответствия закругленной форме передней кромки 18 аэродинамического профиля 12. Это основание расширено посредством двух боковых поверхностей 34A и 34B, точно соответствующих боковой поверхности 26 всасывания и боковой поверхности 28 нагнетания лопатки, при этом каждая из них имеет сужающийся профиль, т.е. утончающийся в направлении заднего конца лопатки.

Арматура 30 конструкции выполнена из металла, предпочтительно сплава на основе титана типа TA6V. Этот материал обладает большими возможностями поглощать энергию при ударных нагрузках. Арматура 30 конструкции адгезионно связана с аэродинамическим профилем 12 с помощью клеящего вещества, известного специалистам в данной области техники, например цианоакрилового клея или эпоксидного клея.

В изобретении, как показано на фиг. 3, арматура 30 конструкции включает в себя помещенный, по меньшей мере, в одно приемное пространство 36, 38, расположенное в его основании (в представленном примере два приемных пространства, но и это число не является предельным), соответствующий узел 40, 42, содержащий множество пучков волокон, определяющих содержание волокон, изменяющееся по всей высоте приемного пространства. Такое приемное пространство продолжается вдоль второго направления 22 лопатки (соответствующего продольному направлению армирования), но при этом не открыто в основание 4 или вершину 24 лопатки, чтобы обеспечить целостность и непрерывность волокон 40, 42 узлов в пределах этого замкнутого пространства, из которого ни одно из волокон не может высвободиться. Кроме того, поскольку волокна не удерживаются вместе путем сварки, размещение узла на месте не приводит к разрушению волокон, в частности при сдвиговых нагрузках, которые могли бы стать источником инициации разрушения.

Следует отметить, что, поскольку арматура 30 конструкции образована двумя участками 30A и 30B, приемное пространство 36, 38 образуется путем соединения между собой двух канавок 36A, 36B и 38A, 38B, когда эти два участка свариваются вместе, при этом канавки обращены друг к другу и образованы на соответствующем из двух участков, чтобы образовать соответствующие замкнутые пространства, содержащие узлы пучков 40, 42 волокон, когда эти два участка соединены сваркой.

Сечение приемного пространства (а значит, и двух канавок, которые его образуют) предпочтительно является круглым (т. е. полукруглым для каждой канавки), однако его можно легко изменить в зависимости от требований к механическим размерам или геометрии армирования, при этом, например, оно может иметь овальную, многоугольную и другие формы.

Как показано на фиг. 4, волокна, образующие пучок волокон узлов 40, 42, удерживаются на месте с помощью колец 44, 46, 48, 50, 52, расположенных, по меньшей мере, на каждом из концов пучков волокон (имеется возможность добавить дополнительные промежуточные кольца 54, если это необходимо). Говоря точнее, с целью согласования с аэродинамическим профилем 12 в наибольшей степени предусмотрен узел, составленный из четырех пучков волокон, что позволяет получить число волокон, уменьшающееся поэтапно при переходе от вершины 24 лопатки к ее основанию 14. Для достижения этого трубчатый центральный первый пучок 60 волокон, имеющий первую длину, соответствующую полной длине, которая должна быть заполнена, сам частично накрыт, т.е. на вторую длину, которая меньше предшествующей длины, круговым вторым пучком 62 волокон, в свою очередь, частично накрытым на третью длину, которая меньше предшествующей длины, круговым третьим пучком 64 волокон, который сам частично накрыт на четвертую длину, которая меньше предшествующей длины, круговым четвертым пучком 66 волокон. Таким образом, определены три отрезка внахлест, на которых содержание волокон отличается от содержания волокон в первом пучке волокон, конкретно по причине этого расположения внахлест. Для удерживания волокон на месте в соответствующих пучках кольца имеют диметры, увеличивающиеся с увеличением числа пучков волокон, которые они удерживают, а для обеспечения того, чтобы эти пучки волокон сами удерживались без зазора, приемное пространство имеет диаметр, изменяющийся поэтапно для соответствия диаметру пучка волокон, который в нем помещается.

Например, первый пучок волокон может содержать 40 SiC-нитей длиной, практически равной полной длине армирования, удерживаемых вместе набором колец с внутренним диаметром 3 мм, второй пучок волокон может содержать 30 нитей, продолжающихся практически на 70% полной длины арматуры, удерживаемых вместе набором колец с внутренним диаметром 3,6 мм, третий пучок волокон может иметь 30 нитей, продолжающихся практически на 50% полной длины армирования, удерживаемых вместе набором колец с внутренним диаметром 4 мм, а четвертый и последний пучок волокон может иметь 30 нитей, продолжающихся практически на 30% полной длины армирования, удерживаемых вместе набором колец с внутренним диаметром 4,2 мм. Узел, образованный таким способом, устанавливается в приемном пространстве армирования конструкции, выполненного из титанового сплава TA6V, предназначенного для передней кромки лопатки, выполненной из углеродных волокон и эпоксидной полимерной матрицы.

Разумеется, вышеприведенный пример представлен лишь в иллюстративных целях, при этом число пучков, их длина, а также содержание в них волокон должны выбираться в зависимости от характеристик, необходимых для армирования 30 конструкции.

Хотя вышеприведенное описание касается лопатки вентилятора турбинного двигателя, следует отметить, что изобретение также применимо для создания металлической арматуры конструкции с целью усиления передней кромки или задней кромки лопатки турбинного двигателя любого типа, будь то для использования на земле или в воздухе, в частности турбовального двигателя для вертолета или турбореактивного двигателя самолета, при этом изобретение также пригодно для пропеллеров, таких как парные винты противоположного вращения, работающие по безредукторной схеме. Изобретение также применимо для изготовления любых других элементов двигателя, например, твердых конструкционных деталей, таких как оболочки, когда требуется локально изменять плотность.

Защитная накладка композитной лопатки турбинного двигателя, предназначенная для адгезионного сцепления с передней кромкой упомянутой лопатки и имеющая по всей высоте сечения лопатки форму латинской буквы V. Защитная накладка имеет основание, переходящее в два расширяющихся крыла и выполненное с возможностью формирования, по меньшей мере, одного приемного пространства продолжающегося в продольном направлении указанного основания защитной накладки. По меньшей мере, в одном приемном пространстве упомянутого основания защитной накладки установлен узел из множества пучков волокон, определяющих количество волокон, которое варьируется по всей высоте упомянутого приемного пространства. Узел из множества пучков волокон включает в себя, по меньшей мере, два концентрических пучка волокон, цилиндрический пучок, имеющий первую длину, а также трубчатый пучок, перекрывающий часть первого пучка волокон. Таким образом, плотность арматуры может быть простым и быстрым способом адаптирована к его форме, при этом более высокая плотность - вблизи вершины лопатки, а меньшая плотность - вблизи основания лопатки. 3 н. и 8 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Защитная накладка композитной лопатки турбинного двигателя, предназначенная для адгезионного сцепления с передней кромкой упомянутой лопатки и имеющая по всей высоте сечения лопатки форму латинской буквы V, причем защитная накладка имеет основание 32, переходящее в два расширяющихся крыла 34А, 34В и выполненное с возможностью формирования, по меньшей мере, одного приемного пространства 36, 38, продолжающегося в продольном направлении указанного основания защитной накладки, причем, по меньшей мере, в одном приемном пространстве упомянутого основания защитной накладки установлен узел из множества пучков волокон, определяющих количество волокон, которое варьируется по всей высоте упомянутого приемного пространства.

2. Защитная накладка по п. 1, отличающаяся тем, что волокна, составляющие пучки волокон, удерживаются на месте с помощью колец, расположенных, по меньшей мере, на каждом конце упомянутых пучков волокон.

3. Защитная накладка по п. 2, отличающаяся тем, что упомянутые кольца имеют диаметр, увеличивающийся с увеличением числа пучков волокон, которые кольца помогают удерживать вместе.

4. Защитная накладка по п. 1, отличающаяся тем, что образована двумя участками, которые должны быть сварены между собой, при этом упомянутое, по меньшей мере, одно приемное пространство для размещения упомянутых пучков волокон образовано путем соединения между собой двух обращенных друг к другу канавок, каждая из которых образована на соответствующем одном из упомянутых двух участков, при этом канавки соединяются между собой в процессе сварки.

5. Защитная накладка по п. 4, в которой упомянутое приемное пространство имеет диаметр, изменяющийся поэтапно для соответствия диаметру пучка волокон, который в нем помещается.

6. Защитная накладка по п. 1, в которой упомянутый узел из множества пучков волокон включает в себя, по меньшей мере, два концентрических пучка волокон, цилиндрический пучок имеющий первую длину, а также трубчатый пучок, перекрывающий часть первого пучка волокон и имеющий вторую длину, которая меньше упомянутой первой длины, и выполнен с возможностью определения, по длине перекрытия первого пучка вторым пучком волокон, количества волокон в первом перекрытом пучке, а также количества волокон во втором пучке по оставшейся длине.

7. Защитная накладка по п. 6, отличающаяся тем, что упомянутая длина перекрытия образована упомянутой второй длиной, а упомянутая оставшаяся длина образована упомянутой первой длиной.

8. Защитная накладка по п. 6, в которой упомянутый узел пучков волокон содержит четыре концентрических пучка волокон, при этом четвертый пучок волокон имеет четвертую длину и частично перекрывает трубчатый третий пучок волокон, имеющий третью длину, который, в свою очередь, частично перекрывает упомянутый второй пучок волокон, имеющий вторую длину, для определения количества волокон в третьем и четвертом пучках по длинам перекрытия третьего и четвертого пучков волокон соответственно.

9. Защитная накладка по любому из пп. 1-8, отличающаяся тем, что упомянутое приемное пространство образует замкнутое пространство.

10. Лопатка турбинного двигателя, включающая в себя защитную накладку по любому из пп. 1-9.

11. Турбинный двигатель, включающий в себя, по меньшей мере, одну лопатку по п. 10.