ЛОПАТКА ВЕНТИЛЯТОРА ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2018 года по МПК F01D5/14 F04D29/38 

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к лопаткам вентилятора ГТД (газотурбинного двигателя) с демпфером для гашения вибраций.

Повышение надежности путем предупреждения усталостных повреждений рабочих лопаток является актуальной задачей современного авиадвигателестроения. Возникновение этих повреждений во многом определяется уровнем вибрационных напряжений в лопатках во всем диапазоне режимов эксплуатации двигателя. Одним из важнейших факторов, снижающих уровень этих напряжений, является демпфирующая способность лопаток, которая определяется энергией, рассеянной в обтекающем газовом потоке (аэродемпфирование), в материале, и за счет конструкционного демпфирования в замковом соединении, и в контакте бандажных или антивибрационных полок для ступеней с этими полками.

Известна композитная лопатка вентилятора по патенту РФ на изобретение №2334750, МПК F04D 29/38, опубл. 20.03.2010 г.

. Эта композитная лопатка преимущественно для вентиляторов авиационных двигателей, состоит из комля и лопасти, содержащей сердечник, формирующий внутреннюю пространственную геометрию лопатки, внешние и внутренние слои композиционного армированного материала, наложенные на сердечник соответственно с обеих его выпуклой и вогнутой сторон, и формирующие внешнюю геометрию лопатки, сердечник выполнен из двух частей - комлевой части из легкого и жесткого материала, например пенопласта, и лопастной части из прочного жесткого материала, например минералокомпозита, при этом комлевая и лопастные части связаны между собой клеевым соединением.

Недостатки: низкая прочность.

Известна лопатка вентилятора по патенту РФ на изобретение №2269034, МПК F04D 29/38, опубл. 27.01.2006 г.

Лопатка вентилятора содержит металлическую профильную часть, имеющую выемку, расположенную на ее первой стороне и содержащую связанный с ней наполнитель. Выемка содержит множество ячеек, разделенных соответствующими ребрами, которые утоплены в наполнитель.

Недостаток: плохое противодействие лопаток центробежным нагрузкам.

Известна пустотелая широкохордная лопатки вентилятора ГТД по патенту РФ 2296246, МПК FQ4D 29/38.

Предложена конструкции длинной легкой пустотелой широкохордной лопатки вентилятора авиационного ГТД пятого поколения с высокой прочностью и статической жесткостью, сохраняющимися или нарастающими в процессе технологического цикла, с высокоэффективным демпфирующим устройством, способным не только снизить динамические напряжения в лопатке при ударе и вибрации до безопасного уровня на всех рабочих режимах авиадвигателя, но и повысить ресурс и надежность вентилятора ГТД.

Известна пустотелая широкохордная лопатка вентилятора ГТД по патенту РФ №2626523, МПК F01L 5/26, опубл. 28.07.2017 г.

Эта пустотелая широкохордная лопатка вентилятора ГТД состоит из оболочки, выполненной из металлического листа (из титанового сплава), и жестко скрепленных с ней силовых несущих элементов: лонжерона, выполненного из титанового сплава, и остальных, выполненных из волокнистого однонаправленного металломатричного высокомодульного композиционного материала.

Недостатки: сложность конструкции и относительно низкие прочность, противодействие ударным нагрузкам и вибропрочность.

Известна рабочая лопатка вентилятора двухконтурного турбореактивного двигателя по патенту РФ №1147097, МПК, опубл. 10.12.2005 г., прототип.

Эта лопатка содержит полое перо и расположенный в его полости сотовый наполнитель, отличающаяся тем, что, с целью повышения надежности работы путем улучшения демпфирующих свойств, в ячейках сотового наполнителя размещены грузики. Грузики имеют форму шара, цилиндра или форму ячейки. Грузики выполнены из материалов с различными модулями упругости.

Лопатка хорошо демпфирует вибронагрузки, но не работоспособна при больших частотах вращения, т.к. не выдерживает большие центробежные нагрузки вследствие большого веса и малого поперечного сечения оболочки и сильные фронтовые удары посторонних предметов.

Задачи создания изобретения: обеспечение прочности при ударных нагрузках и вибрационной прочности.

Технический результат: увеличение прочности при ударных нагрузках и вибрационной прочности.

Решение указанных задач достигнуто в лопатке вентилятора газотурбинного двигателя, состоящей из основания, металлической оболочки, образующей корытце, спинку и входную кромку и несущих силовых элементов, установленных в полости внутри металлической оболочки и демпфирующий материал, тем, что она содержит концевую заглушку, с которой жестко соединены несущие силовые элементы, между основанием и концевой заглушкой установлены промежуточные перегородки, через отверстия в которых проходят несущие силовые элементы, а демпфирующий материал размещен в полости между промежуточными перегородками и концевой заглушкой и промежуточной перегородкой и выполнен в виде сот, заполненных полыми алюмбсиликатными микросферами, несущий силовой элемент расположенный ближе к входной кромке выполнен в виде металлической трубки, заполненной алюмосиликатными полыми микросферами.

Металлическая трубка может быть выполнена эллипсной в поперечном сечении.

В отверстиях промежуточных перегородок могут быть установлены демпферы.

Несущие силовые элементы могут быть смонтированы с предварительным натягом. Несущие силовые элементы могут быть выполнены прямоугольного поперечного сечения. Несущие силовые элементы могут быть выполнены круглого поперечного сечения. Изменение процентного состава титана и алюминия может быть выполнено дискретно. Изменение процентного состава титана и алюминия может быть выполнено непрерывно. Несущие силовые элементы могут быть выполнены прямоугольного поперечного сечения. Несущие силовые элементы могут быть выполнены круглого поперечного сечения. Несущие силовые элементы могут быть выполнены четырехугольного поперечного сечения, при этом две стенки повторяют внутренний профиль участков оболочки, контактирующих с ними. Полости между силовыми несущими элементами могут быть заполнены демпфирующим материалом.

Сущность изобретения поясняется на фиг. 1-13, где:

- на фиг. 1 приведен общий вид лопатки,

- на фиг. 2 приведен разрез А - А на фиг. 1,

- на фиг. 3 приведен разрез В-В на фиг. 1,.

- на фиг. 4 приведен вид С, первый вариант,

- на фиг. 5 приведен вид С, второй вариант,

- на фиг. 6 приведен вид D, первый вариант,

- на фиг. 7 приведен вид D, второй вариант,

- на фиг. 8 приведен силовой каркас с несущими силовыми элементами,

- на фиг. 9 приведен демпфирующий наполнитель,

- на фиг. 10 приведена ячейка сот с алюмосиликатными полыми микросферами,

- на фиг. 11 приведен разрез С-С на фиг. 8,

- на фиг. 12 приведен фрагмент гофрированной перегородки с металлической трубкой

- на фиг. 13 приведен разрез D-D на фиг. 12.

Лопатка вентилятора (фиг. 1 и 2) состоит из металлической оболочки 1, образующей корытце 2, спинку 3 и входную кромку 4, и металлической трубки 5, установленной на основании 6 (замок) в полости 7 внутри металлической оболочки 1 непосредственно около входной кромки 4.

Трубка 5 может быть выполнена круглого или овального поперечного сечения.

В полости 7 (фиг. 2) установлены гофрированные промежуточные перегородки 8, в которых выполнены отверстия 9, через которые проходит металлическая трубка 5. Отверстия 9 могут быть выполнены круглыми или овальными. Между промежуточными перегородками 8 и металлической трубкой 5 установлены демпферы 10. Демпферы 10 можно изготовить из металлорезины.

В верхней части лопатки выполнена концевая заглушка 11, например, приварена к металлической оболочке 1 (не показано).

Металлическая трубка 5 установлена около передней кромки 4 параллельно ей и разделена перегородками 12 на отсеки 13. В отсеки 13 засыпаны алюмосиликатные полые микросферы 14.

Металлическая трубка 5 жестко соединена с концевой заглушкой 11 сваркой или высокотемпературной пайкой (фиг. 1…5).

Алюмосиликатные полые микросферы (АСПМ) - стеклокристаллические алюмосиликатные шарики, которые образуются при высокотемпературном факельном сжигании угля. Являются самыми ценными компонентами зольных отходов тепловых электростанций. Представляют собой полые, почти идеальной формы силикатные шарики с гладкой поверхностью, диаметром от 10 до нескольких сотен микрометров, в среднем около 100 мкм. Стенки сплошные непористые с толщиной от 2 до 10 мкм, температура плавления 1400-1500°С, плотность 580-690 кг/м³. Внутренняя полость частиц заполнена в основном азотом и диоксидом углерода.

Металлическая трубка 5 может быть соединена с концевой заглушкой 11 сварочным швом 15 (фиг. 5), если - клеем 16 (фиг. 4).

Гофрированные промежуточные перегородки 8 могут быть установлены в полости 7 без зазора между их кромками 17 и металлической оболочкой 1 (фиг. 5) или приварены сварочным швом 18.

В варианте (фиг. 5) центрирование и прижатие промежуточных перегородок 8 к металлической оболочке 1 осуществляется центробежной силой Fцб.

Между промежуточными перегородками 8 размещен демпфирующий материал 19 в виде сот 20, заполненных алюмосиликитными полыми микросферами 14 (фиг. 8 и 9).

Основание 6 (фиг. 1) выполнено цельнометаллическим и имеет контактный торец 21 для контакта с диском (не показано), внутренние поверхности 22 (относительно газодинамического тракта) и боковые торцы 23.

Металлическая оболочка 1 имеет переходный участок 24 для соединения его с основанием 6. Соединение может быть выполнено, например, сварочным швом 25.

Варианты гофрированной металлической перегородки 8 показаны на (фиг. 5, 7 и 9).

Полость 7 между несущими силовыми несущими элементами 5 и промежуточными перегородками 8, как сказано ранее, заполнена демпфирующим материалом 19 в виде сот 20, заполненных алюмосиликитными полыми микросферами 14, что также способствует противодействию ударных нагрузок.

РАБОТА ЛОПАТКИ ВЕНТИЛЯТОРА

При работе лопатки вентилятора в составе ГТД на нее действуют центробежные силы, изгибающие нагрузки и вибрации, которые воспринимают демпфирующий материал 19 и демпфера 10, они воспринимают вибрационные нагрузки и частично удары сбоку.

Выполнение демпфирующего материала 19 из сот 20 и наполнение сот 20 алюмосиликатными пустотелыми микросферами 14 значительно повысит жесткость лопатки, ее прочность, устойчивость к виброперегрузкам, и температуростойкость, незначительно увеличив их вес.

Лопатки имеют относительно небольшой вес, так как в них применены легкие металлы: титан и алюминий, они выполнены пустотелыми, а полость 7 внутри металлической оболочки 1 заполнена очень легким демпфирующим материалом 19 в виде сот 20, заполненных алюмосиликатными пустотелыми микросферами 14, которые имеют очень низкий удельный вес.

Также выполнение металлической трубки 5, разделенной перегородками 12 на секции 13, заполненные алюмосиликатными пустотелыми микросферами 14 значительно повысит противодействие лопаток фронтальным ударом посторонних предметов, например птиц в полете.

При ударе, например, попадании посторонних предметов в тракт газотурбинного двигателя, металлическая оболочка 1 не сдеформируется или сдеформируется незначительно, разрушится незначительное количество пустотелых алюмосиликатных микросфер 14 в секциях 13 в металлической трубке 13 и/или в сотах 20. Разрушенные алюмосиликатные полые микросферы 14 (стеклянная пыль) останется в пределах нескольких ячеек сотов 20 (фиг. 10), или в одной - двух секциях 13, где они были засыпаны. Металлическая трубка 5 расположенная непосредственно около входной кромки 4, воспринимает основной фронтальный удар и вследствие того, что она противостоит мощному ударе без отрицательных последствий: деформации металлической оболочки, изгиба лопатки, повреждения оболочки 1 или возникновения дисбаланса ротора вентилятора вследствие изменения формы лопатки и смещения ее центра тяжести.

В результате даже сильный удар не нарушит балансировку ротора с предложенными лопатками. Гофрированные промежуточные перегородки 8 тоже не позволят перемещаться разрушенным алюмосиликатным пустотелым микросферам 14 в пределах полости 7 под действием гравитационных и центробежных сил.

Применение изобретения позволило:

- противодействовать сильному удару посторонних предметов при работе ГТД, в котором эти лопатки установлены,

- повысить вибрационную прочность лопаток вентилятора за счет схемы установки несущих силовых элементов,

- повысить вибрационную прочность за счет заполнения объема между несущих силовых элементов предложенным легким и очень эффективным демпфирующим материалом.

- повысить прочность при действии центробежных сил за счет применения концевой заглушки, с которой жестко связаны силовые несущие элементы и монтажа силовых несущих элементов с предварительным натягом,

- сместить диапазон частот колебаний в область более высоких частот за счет применения концевой заглушки, с которой жестко связаны силовые несущие элементы, монтажа силовых несущих элементов с предварительным натягом и относительно плотного заполнения полости лопатки пустотелыми алюмосиликатными микросферами.

- длительно время сохранить балансировку ротора ГТД, в котором установлены предложенные лопатки.

Лопатка вентилятора газотурбинного двигателя состоит из основания, металлической оболочки, образующей корытце, спинку и входную кромку, и несущих силовых элементов, установленных в полости внутри металлической оболочки и демпфирующего материала в виде панелей с сотовыми ячейками. Она содержит концевую заглушку, между основанием и концевой заглушкой установлены промежуточные гофрированные перегородки. Трубка может быть выполнена эллипсной в поперечном сечении. Сотовые ячейки могут быть заполнены алюмосиликатными полыми микросферами. Около входной кромки в полости лопатки может быть установлена металлическая трубка, разделенная перегородками на секции, которые заполнены алюмосиликатными полыми микросферами. Трубка может быть выполнена эллипсной в поперечном сечении. В промежуточных перегородках могут быть выполнены отверстия для прохождения металлической трубки, в которые установлены демпферы. Технический результат: упрощение конструкции, повышение ударной и вибрационной прочности. 4 з.п. ф-лы, 13 ил.

1. Лопатка вентилятора газотурбинного двигателя, состоящая из основания, металлической оболочки, образующей корытце, спинку и входную кромку, и установленных в полости внутри металлической оболочки и демпфирующего материала в виде панелей с сотовыми ячейками, отличающаяся тем, что она содержит концевую заглушку, между основанием и концевой заглушкой установлены промежуточные гофрированные перегородки.

2. Лопатка вентилятора газотурбинного двигателя по п. 1, отличающаяся тем, что сотовые ячейки заполнены алюмосиликатными полыми микросферами.

3. Лопатка вентилятора газотурбинного двигателя по п. 1, отличающаяся тем, что около входной кромки в полости лопатки установлена металлическая трубка, разделенная перегородками на секции, которые заполнены алюмосиликатными полыми микросферами.

4. Лопатка вентилятора газотурбинного двигателя по п. 3, отличающаяся тем, что трубка выполнена эллипсной в поперечном сечении.

5. Лопатка вентилятора газотурбинного двигателя по п. 3, отличающаяся тем, что в промежуточных перегородках выполнены отверстия для прохождения металлической трубки, в которые установлены демпферы.