Композитная лопатка компрессора Российский патент 2019 года по МПК F01D5/30 F01D5/28 

Изобретение относится в основном к турбореактивным и газотурбинным двигателям и предназначено для начальных ступеней компрессора, в основном - осевого, но может быть применено и для центробежного компрессора.

Известны подобные лопатки, например, пат. №№2517005 и 2516829. В первом патенте композитная лопатка представляет собой пропитанные связующим ленты армирующего материала, обернутые вокруг стержня, за который лопатка крепится к диску венца. Во втором патенте (прототип) композитная лопатка или воздушный винт состоят из жгутов армирующего материала, пропитанных связующим веществом и обернутых вокруг крепежных втулок. Указанные элементы представляют собой силовой каркас лопаток, на который наносится профилированный поверхностный слой связующего с армирующей тканью, или связующего с рубленым волокном.

Недостаток первого изобретения заключается в том, что лопатки в месте соприкосновения с диском подвергаются большим нагрузкам, и могут начать местно разрушаться. А недостатком второго изобретения применительно к лопаткам компрессоров является то, что, будучи закрепленными на диске, они за счет переходных режимов, за счет маневров самолета и от аэродинамических завихрений могут проворачиваться на крепежном болте, что может привести к износу втулки и болта в месте контакта.

Задача и технический результат изобретения - устранение обоих вышеописанных вариантов износа.

Первое отличие данной лопатки от прототипа в том, что вместо жгутов армирующего материала используются ленты.

Для этого, как и аналоги, композитная лопатка имеет втулку, на которой закреплены ленты армирующего материала, пропитанные связующим веществом, но внутри втулки имеет вкладыш из антифрикционного материала, например, из фторопласта или из медно-графитового материала.

Учитывая свойство хладотекучести фторопласта, заготовки из него при изготовлении следует армировать арамидными высокопрочными термостойкими волокнами, например рублеными вектраном, спектрой, зайлоном и т.п., или же рубленым стекловолокном или рубленым углеродным волокном.

Для устранения местного износа в месте контакта лопатки с диском в месте этого контакта к диску или к лопатке приклеены или привулканизированы две накладки из эластичного материала, например, из термостойкой резины (400 град. С), причем эластичные накладки имеют утолщения в части, лежащей ближе к оси вращения диска (эти утолщения не дадут накладкам оторваться под действием центробежной силы при вращении диска), или же место соприкосновения накладки и диска имеет гребенчатую форму (с той же целью).

Для повышения точности сопряжения эластичной накладки с пазом для нее в диске компрессора, предпочтительнее приклеивать или привулканизировать накладки к диску, а не к лопатке.

Для предотвращения флаттерных автоколебаний лопатки аэродинамический фокус ее профиля в любом ее поперечном сечении должен находиться позади той точки поперечного сечения лопатки, при приложении поперечной нагрузки к которой лопатка линейно без закручивания деформируется как балка, то есть - лопатка равновелико деформируется во всех точках своего сечения. Направление «позади» при этом понимается относительно движения лопатки в окружающем воздухе. Назовем такую точку «точкой эквивалентной жесткости».

На прилагаемом эскизе показана лопатка. Лопатка состоит из лент 1 армирующего материала, например из вектрана, пропитанных связующим веществом, например термостойкой эпоксидной смолой, и обернутых вокруг втулки 2, внутри которой имеется антифрикционный вкладыш 3, например из медно-графитового материала. Лопатка с помощью болта (не показан на чертеже), вставляемого в антифрикционный вкладыш, крепится к диску 4. В местах контакта лопатки с диском (справа и слева на чертеже) в диске имеются вырезы показанной формы, в которые завулканизированы эластичные накладки 5 из термостойкой резины.

Работают лопатки так: после закрепления болтом, который воспринимает центробежные и изгибающие усилия, лопатки своими боками опираются на эластичные накладки 5, которые равномерно распределяют рабочие нагрузки по поверхностям лопатки, а также хорошо демпфируют аэродинамические вибрационные нагрузки, возникающие от обтекания лопаток скоростным потоком воздуха.

Следует отметить одну технологическую особенность - ленты армирующего материала могут использоваться в виде готовых лент, а могут формироваться методом трехмерного плетения с образованием формы лопатки.

Ленты на некотором расстоянии (примерно 1-3 диаметра втулки от оси втулки) могут быть скреплены между собой путем прошивки на соответствующей размеру прошиваемого материала швейной машине.

Композитная лопатка компрессора содержит втулку, на которой закреплены ленты армирующего материала, пропитанные связующим веществом. Внутри втулки имеется вкладыш из антифрикционного материала. Для устранения местного износа в месте контакта лопатки с диском в месте этого контакта к диску или к лопатке приклеены или привулканизированы две накладки из эластичного материала. Эластичные накладки имеют утолщения в части, лежащей ближе к оси вращения диска или же место соприкосновения накладки и диска имеет гребенчатую форму. Аэродинамический фокус профиля лопатки в любом ее поперечном сечении находится позади точки поперечного сечения лопатки, при приложении поперечной нагрузки к которой лопатка линейно без закручивания деформируется как балка. Ленты армирующего материала на расстоянии 1-3 диаметра втулки от оси втулки скреплены между собой путем прошивки. Изобретение позволяет снизить износ композитной лопатки. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Композитная лопатка компрессора, содержащая втулку, на которой закреплены ленты армирующего материала, пропитанные связующим веществом, отличающаяся тем, что внутри втулки имеется вкладыш из антифрикционного материала, а для устранения местного износа в месте контакта лопатки с диском в месте этого контакта к диску или к лопатке приклеены или привулканизированы две накладки из эластичного материала, причем эластичные накладки имеют утолщения в части, лежащей ближе к оси вращения диска, или же место соприкосновения накладки и диска имеет гребенчатую форму, кроме того, аэродинамический фокус профиля лопатки в любом ее поперечном сечении должен находиться позади точки поперечного сечения лопатки, при приложении поперечной нагрузки к которой лопатка линейно без закручивания деформируется как балка, а также отличающаяся еще и тем, что ленты армирующего материала на расстоянии 1-3 диаметра втулки от оси втулки скреплены между собой путем прошивки.

2. Лопатка по п. 1, отличающаяся тем, что вкладыш из антифрикционного материала выполнен из фторопласта или из медно-графитового материала.

3. Лопатка по п. 1, отличающаяся тем, что накладки из эластичного материала выполнены из резины.

4. Лопатка по п. 1, отличающаяся тем, что ленты армирующего материала образуются методом трехмерного плетения с образованием формы лопатки.