ЗАЩИТНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ПЕРЕДНЕЙ КРОМКИ Российский патент 2020 года по МПК F01D5/14 F01D5/28 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к защитному элементу передней кромки лопатки лопаточной машины. Под «лопаточной машиной» в этом контексте следует понимать любую машину, в которой может происходить передача энергии между потоком текучей среды и по меньшей мере одним лопаточным колесом, например, таким как компрессор, насос, турбина, воздушный винт или комбинация по меньшей мере двух из них.

Уровень техники

Такие защитные элементы передней кромки обычно предназначены для защиты передних кромок вращающихся лопаток или направляющих лопаток от ударов. Под «лопатками» в этом контексте следует понимать как лопатки вентилятора, так и лопасти воздушного винта. Для ограничения веса этих лопаток они, как правило, в основном образованы корпусом лопатки из композиционного материала с органической матрицей, например, из полимера, усиленной волокнами. Хотя, как правило, эти материалы имеют очень хорошие механические свойства, в частности, относительно своей массы, все же они обладают некоторой чувствительностью к точечным ударам. На передних кромках таких лопаток обычно устанавливают защитные элементы, как правило, из высокопрочного металлического материала, такого как титановые сплавы, чтобы предохранить их от этих ударов. Эти защитные элементы, которые проходят от нижнего конца, смежного с ножкой лопатки, до верхнего конца, смежного с вершиной лопатки, и имеют наружную сторону, охватывающую переднюю кромку, и внутреннюю сторону, предназначенную для крепления на корпусе лопатки, обычно выполнены в виде тонкой пластинки корытца и тонкой пластинки спинки, соединенных более толстым центральным участком на уровне передней кромки, при этом весь узел соответствует форме лопатки на передней кромке и смежных участков корытца и спинки. Поскольку, учитывая вращение лопаток, скорости удара обычно возрастают ближе к вершине лопатки, толщина между внутренней и наружной сторонами центрального участка защитного элемента обычно следует правилу изменения, возрастающего от нижнего конца к верхнему концу защитного элемента. Однако это приводит к увеличению массы защитного элемента и особенно его инерции в направлении высоты.

Раскрытие сущности изобретения

Задача изобретения состоит в устранении вышеуказанных недостатков за счет создания защитного элемента передней кромки лопатки лопаточной машины, который обеспечивает соответствующую защиту этой лопатки при меньших массе и инерции.

По меньшей мере в одном варианте осуществления эта задача решается за счет того, что в указанном защитном элементе передней кромки, который может быть выполнен из металлического материала, который расположен по высоте от нижнего конца до верхнего конца, имеет наружную сторону, охватывающую переднюю кромку, и внутреннюю сторону, предназначенную для крепления на корпусе лопатки, и который содержит пластинку корытца, пластинку спинки и центральный участок, имеющий толщину между наружной стороной и внутренней стороной, более значительную, чем соответствующая толщина пластики корытца и чем соответствующая толщина пластинки спинки, при этом толщина центрального участка является, с одной стороны, увеличивающейся со стабильным или возрастающим градиентом на первом сегменте, расположенном по меньшей мере на 60% и даже 80% высоты защитного элемента передней кромки, начиная от нижнего конца защитного элемента передней кромки, при этом, с другой стороны, толщина центрального участка имеет убывающий градиент за пределами указанного первого сегмента. Толщина центрального участка может даже уменьшаться на втором сегменте защитного элемента передней кромки, находящемся за пределами первого сегмента.

Благодаря этим признакам, можно уменьшить массу и инерцию, добавляемые лопатке защитным элементом, когда лопатка менее подвержена ударам за пределами указанного первого сегмента.

Поставленная задача решена также в лопатке, проходящей по высоте от ножки лопатки до вершины лопатки и содержащей корпус лопатки и такой защитный элемент передней кромки, соединенный с корпусом лопатки, при этом корпус лопатки выполнен из композиционного материала с органической матрицей, например, из полимера, усиленной волокнами, при этом защитный элемент передней кромки выполнен из материала с более высокой стойкостью к точечным ударам, чем композиционный материал корпуса лопатки, и нижний конец защитного элемента передней кромки находится ближе к ножке лопатки, чем верхний конец.

Поставленная задача решена также лопаточной машине, содержащей множество таких лопаток, вентиляторе, содержащем множество таких лопаток, и двухконтурном турбореактивном двигателе, содержащем такой вентилятор.

Краткое описание чертежей

Изобретение и его преимущества будут более очевидны из нижеследующего подробного описания вариантов осуществления, представленных в качестве неограничивающих примеров.

На фиг. 1 схематично показан двухконтурный турбореактивный двигатель, вид в перспективе;

на фиг. 2А и 2В показана вращающаяся лопатка вентилятора турбореактивного двигателя, изображенного на фиг. 1, согласно варианту осуществления схематичные виды в перспективе лопатки, соответственно со стороны корытца и спинки;

на фиг. 3 показана часть лопатки, изображенной на фиг. 2А и 2В, по плоскости III-III, вид в разрезе.

на фиг. 4 представлен график, показывающий правила изменения толщины центрального участка защитных элементов передней кромки согласно двум вариантам осуществления в сравнении с толщиной известного защитного элемента передней кромки.

Осуществление изобретения

На фиг. 1 показан двухконтурный турбореактивный двигатель 10, содержащий газогенераторную установку 12 и вентилятор 14. Этот вентилятор 14 содержит множество вращающихся лопаток 16, расположенных радиально вокруг центральной оси Х, аэродинамические профили которых выполнены таким образом, чтобы приводить воздух в движение при своем вращении, и которые окружены картером 50 вентилятора. Как показано на фиг. 2А, 2В и 3, каждая лопатка 16 имеет переднюю кромку 18, заднюю кромку 20, корытце 22, спинку 24, вершину 26 лопатки и ножку 28 лопатки.

Во время нормальной работы относительный ветер по существу направлен в сторону передней кромки 18 каждой лопатки 16. Таким образом, эта передняя кромка 18 особенно подвержена действию ударов. В частности, когда лопатка 16 содержит корпус 30 из композиционного материала с полимерной матрицей, усиленной волокнами, следует предохранять переднюю кромку 18 при помощи защитного элемента 32 передней кромки, встроенного в каждую лопатку. Иначе говоря, защитный элемент 32 передней кромки соединен с корпусом 30 лопатки.

Защитный элемент 32 передней кромки выполнен из материала, обладающего более высокой стойкостью к точечным ударам, чем композиционный материал корпуса 30 лопатки. Защитный элемент 32 передней кромки в основном является металлическим и, в частности, выполнен из сплава на основе титана, например, TA6V (Ti-6Al-4V). Защитный элемент 32 передней кромки можно также выполнить из стали или из металлического сплава, обычно известного под зарегистрированным товарным знаком “Inconel”. В дальнейшем для обозначения сплава на основе железа, легированного никелем и хромом, будет использовано название Инконель.

Защитный элемент 32 передней кромки расположен на высоте Н вдоль оси Z от нижнего конца 40 до верхнего конца 41, имеет наружную сторону 50, охватывающую переднюю кромку 18, и внутреннюю сторону 51, предназначенную для крепления на корпусе 30 лопатки, и содержит пластинку 34 корытца, пластинку 36 спинки и центральный участок 38, соединяющий пластинку 34 корытца и пластинку 36 спинки на высоте Н защитного элемента 32. Пластинки 34, 36 корытца и спинки обеспечивают позиционирование защитного элемента 32 на корпусе 30. Как показано на фиг. 3, где представлен вид в разрезе по плоскости III-III, поперечной к оси Z высоты Н защитного элемента 32, толщина е1 центрального участка 38 между наружной стороной 50 и внутренней стороной 51 защитного элемента 32 по существу превышает толщину е2, е3 соответственно пластинки 34 корытца и пластинки 36 спинки между этими наружной 50 и внутренней 51 сторонами, чтобы противостоять ударам, концентрирующимся на этом центральном участке 38.

Поскольку каждая лопатка 16 вращается вокруг центральной оси Х турбореактивного двигателя 1 во время его работы, тангенциальная скорость передней кромки 18 повышается от ножки 26 к вершине 28 лопатки. В известных защитных элементах, чтобы учитывать влияние этой повышающейся скорости на скорость удара по лопатке, толщина е1 центрального участка защитного элемента увеличивается от нижнего конца до верхнего конца защитного элемента в соответствии с правилом увеличения со стабильным и даже возрастающим градиентом, что показано в виде кривой 100 на фиг. 4, где вертикальная ось соответствует оси Z высоты Н защитного элемента, а горизонтальная ось соответствует толщине е1.

Однако вершина 26 лопатки частично защищена картером 50, вход которого может быть более узким, чем вентилятор 14. По сравнению с известными защитными элементами можно предусмотреть уменьшение толщины е1 центрального участка защитного элемента 32 вблизи вершины 26 лопатки без негативных последствий для ее безопасности. Таким образом, толщина е1 центрального участка 38 защитного элемента 32 может быть возрастающей со стабильным, то есть постоянным градиентом de1/dZ или с градиентом, возрастающим на первом сегменте S1 от нижнего конца 40 защитного элемента 32, но может иметь убывающий градиент за пределами этого первого сегмента S1. Например, в первом варианте осуществления, показанном на фиг. 4 в виде кривой 101, толщина е1 продолжает увеличиваться за пределами первого сегмента S1 до верхнего конца 41, но с убывающим градиентом de1/dZ. Можно даже предусмотреть, как во втором варианте осуществления, показанном на фиг. 4 в виде кривой 102, чтобы этот градиент de1/dZ стал отрицательным и, следовательно, чтобы толщина е1 уменьшалась на втором сегменте S2, находящемся между первым сегментом S1 и верхним концом 41 защитного элемента 32. Относительно сравнительного примера, представленного в виде кривой 100, можно, таким образом, уменьшить массу и особенно инерцию, добавляемые лопатке 16 защитным элементом 32.

Хотя настоящее изобретение было описано для конкретного примера осуществления, разумеется, в эти примеры можно вносить различные изменения, не выходя за рамки общего объема изобретения, определенные формулой изобретения. Кроме того, отдельные признаки различных упомянутых вариантов осуществления можно комбинировать в дополнительных вариантах осуществления. Следовательно, описание и чертежи следует рассматривать скорее как иллюстративные, а не как ограничивающие.

Изобретение относится к области лопаток лопаточных машин и, в частности, к защитному элементу (32) передней кромки для лопатки (16) лопаточной машины, который проходит по высоте от нижнего конца (40) до верхнего конца (41), имеет наружную сторону (50), охватывающую переднюю кромку (18), и внутреннюю сторону (51), выполненную с возможностью крепления на корпусе (30) лопатки, и содержит пластинку (34) корытца, пластинку (36) спинки и центральный участок (38), соединяющий пластинку (34) корытца с пластинкой (36) спинки. Этот центральный участок (38) имеет толщину (е1), бóльшую, чем пластинка (34) корытца и пластинка (36) спинки, между наружной стороной (50) и внутренней стороной (51). Толщина (е1) центрального участка (38) является увеличивающейся со стабильным или возрастающим градиентом на первом сегменте (S1), начиная от нижнего конца защитного элемента (32) передней кромки, но имеет убывающий градиент за пределами указанного первого сегмента (S1). Обеспечивается защита лопатки при меньших массе и инерции. 5 н. и 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Защитный элемент (32) передней кромки лопатки (16) лопаточной машины, при этом указанный защитный элемент (32) передней кромки проходит по высоте от нижнего конца (40) до верхнего конца (41), имеет наружную сторону (50), охватывающую переднюю кромку (18), и внутреннюю сторону (51), выполненную с возможностью крепления на корпусе (30) лопатки, и содержит пластинку (34) корытца, пластинку (36) спинки и центральный участок (38), соединяющий пластинку (34) корытца с пластинкой (36) спинки, отличающийся тем, что центральный участок (38) имеет толщину (е1) между наружной стороной (50) и внутренней стороной (51), бóльшую, чем соответствующая толщина (е2) пластинки (34) корытца и чем соответствующая толщина (е3) пластинки (36) спинки, при этом толщина (е1) центрального участка (38) является увеличивающейся со стабильным или возрастающим градиентом на первом сегменте (S1), расположенном по меньшей мере на 60% высоты (Н) защитного элемента (32) передней кромки, начиная от нижнего конца защитного элемента (32) передней кромки, и имеет убывающий градиент за пределами указанного первого сегмента (S1).

2. Защитный элемент (32) передней кромки по п. 1, в котором толщина (е1) центрального участка (38) уменьшается на втором сегменте (S2) защитного элемента (32) передней кромки, находящемся за пределами первого сегмента (S1).

3. Защитный элемент (32) передней кромки по п. 1 или 2, выполненный из металлического материала.

4. Лопатка (16), проходящая по высоте от ножки лопатки до вершины лопатки и содержащая корпус (30) лопатки и защитный элемент (32) передней кромки по любому из пп. 1-3, соединенный с корпусом (30) лопатки, при этом корпус (30) лопатки выполнен из композиционного материала с органической матрицей, усиленной волокнами, при этом защитный элемент (32) передней кромки выполнен из материала с более высокой стойкостью к точечным ударам, чем композиционный материал корпуса (30) лопатки.

5. Лопатка (4) по п. 4, в которой нижний конец (40) защитного элемента (32) передней кромки находится ближе к ножке лопатки, чем верхний конец защитного элемента (32) передней кромки.

6. Лопаточная машина, содержащая множество лопаток (16) по любому из п. 4 или 5.

7. Вентилятор (14), содержащий множество лопаток (16) по любому из п. 4 или 5.

8. Двухконтурный турбореактивный двигатель (10), содержащий вентилятор по п. 7.