ЛОПАТКА, СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЛОПАТКИ И ТУРБОРЕАКТИВНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ, СОДЕРЖАЩИЙ ТАКУЮ ЛОПАТКУ Российский патент 2020 года по МПК F01D5/28 F01D5/14 F04D29/38 

[0001] Настоящее изобретение относится к лопатке, выполненной из композиционного материала, включающего в себя экран передней кромки. Такие экраны передней кромки обычно используются для защиты передних кромок вращающихся лопастей или направляющих лопаток против ударов и эрозии. Термин "лопатки" используется в данном контексте таким образом, чтобы он относился и к лопастям вентилятора, и лопаткам винта воздушного судна. Для того чтобы ограничивать их вес, такие лопатки обычно выполняют из органического связующего композиционного материала, например, из армированного волокном полимерного материала. Хотя такие материалы проявляют механические качества, которые, в основном, очень благоприятны, особенно по отношению к их весу, они в некоторой степени обладают чувствительностью к точечным воздействиям. Поэтому на передние кромки таких лопаток, для того чтобы защитить их от ударов, обычно устанавливают экраны, выполненные из очень прочного материала металла, такого как титановые сплавы. Такие экранам обычно придают форму тонкой пластины корыта и тонкой платины спинки, которые соединены между собой насаженным на переднюю кромку более толстым участком, при этом экран плотно подогнан к форме лопатки как по передней кромке, так и по его смежным секциям корыта и спинки. Пластины корыта и спинки продолжаются, соответственно, поверх этих секций корыта и спинки лопатки, и они служат, главным образом, для установки и крепления экрана на передней кромке.

[0002] Для того, чтобы улучшить аэродинамические характеристики лопаток, их передним кромкам придают формы, которые являются еще более сложными, тем самым делая более сложным как изготовление экранов, которые должны плотно соответствовать этим формам, так и их крепление на лопатках.

[0003] Далее, в случае каких-либо ударов по лопатке крепление экрана с передней кромкой лопатки, изготовленной из композитного материала, может быть, по меньшей мере, частично ослаблено, что вызывает снижение аэродинамических характеристик лопатки и связанное с этим ухудшение ее поведения в воздушном потоке, сопровождаемое потерей устойчивости при потере участка экрана. Кроме того, если часть экрана будет оторвана, то передняя кромка лопатки больше не будет защищена по всей своей высоте, и композитный материал, который при этом обнажился по передней кромке лопатки, будет подвергаться воздействию со стороны внешнего окружения. Получившийся таким образом профиль обычно является неправильным, тем самым еще более ухудшающим свое поведение в воздушном потоке. После этого лопатку необходимо ремонтировать или заменять.

Цель и сущность изобретения

[0004] Настоящее изобретение направлено на по меньшей мере частичное устранение этих недостатков.

[0005] С этой целью изобретение обеспечивает лопатку, содержащую тело лопатки, выполненное из армированного волокном органического связующего композиционного материала, и экран передней кромки выполненный из материала, который противостоит точечным ударам лучше, чем композиционный материал тела лопатки, при этом лопатка содержит торец лопатки, экран передней кромки собран на теле лопатки и включает в себя пластину корыта и пластину спинки, пластина корыта включает в себя щиток корыта, а пластина спинки включает в себя щиток спинки, причем, щиток корыта и щиток спинки являются загнутыми один на другой и прикрепленными один к другому таким образом, что образуют частичное покрытие торца лопатки.

[0006] При ударах по экрану передней кромки присутствие щитков корыта и спинки, которые удлиняют пластины корыта и спинки, предназначено для уменьшения вероятности отделения экрана, особенно вблизи свободных краев экрана передней кромки около торца лопатки, где такие отделения наблюдаются наиболее часто. В частности, щитки корыта и спинки не являются отдельными частями, приклеенными или приваренными к пластинам корыта и спинки, а являются неотделимыми от пластин корыта и спинки. Эти щитки корыта и спинки выполнены заодно, соответственно, с пластинами корыта и спинки, так что, для того чтобы отделить экран передней кромки от тела лопатки, необходимо отсоединить пластины корыта и спинки от тела лопатки, а также отсоединить щиток корыта от щитка спинки. Сила, необходимая для того, чтобы отсоединить экран передней кромки от тела лопатки, таким образом, становится большей. Таким образом, вероятность повреждения лопатки уменьшена.

[0007] Экран передней кромки может быть выполнен из сплава на основе титана.

[0008] Этот материал демонстрирует очень высокую способность противостоять точечным ударам.

[0009] Термин "сплав на основе титана" используется для того чтобы, обозначать сплавы, в которых бóльшая часть содержимого по весу представляет собой титан. В качестве примера, - сплав на основе титана может иметь в содержимом по весу по меньшей мере 50% титана, предпочтительно, - по меньшей мере 70% титана, более предпочтительно, - по меньшей мере 80% титана.

[0010] Экран передней кромки может быть, равным образом, успешно выполнен из стали или металлического сплава, обычно известного под зарегистрированным товарным знаком Inconel^TM. Термин "Inconel" используется далее для обозначения сплава на основе железа, сплавленного с никелем и хромом.

[0011] Щиток корыта и щиток спинки могут быть прикреплены один к другому посредством клея или сваркой.

[0012] Оба эти способа являются простыми в осуществлении и обеспечивают возможность гарантировать, что щиток корыта будет хорошо прикреплен к щитку спинки.

[0013] Щиток корыта может быть загнут на щиток спинки.

[0014] В вентиляторе турбореактивного двигателя эти лопатки, приводятся во вращение внутри установленного вокруг лопаток корпуса. Поэтому неподвижная точка корпуса "видит", что мимо нее сначала проходит корыто лопатки, за которой следует спинка. Таким образом, поскольку щиток корыта загнут на щиток спинки, то в случае контакта между торцом лопатки и корпусом вероятность того, что щиток корыта отделится от щитка спинки, снижена. Так что такая конфигурация щитков корыта и спинки предназначена для уменьшения рисков раскрытия щитка корыта в случае его нежелательного контакта корпусом.

[0015] Щиток корыта или щиток спинки может быть прикреплен к торцу лопатки.

[0016] Щиток, расположенный между торцом лопатки и другим щитком, также прикреплен к торцу лопатки, например, посредством клея. Это еще лучше крепит щитки корыта и спинки с торцом лопатки.

[0017] Каждая из пластины корыта и пластины спинки включает в себя свободный край, одна из пластин корыта и спинки может быть более длинной, чем другая, а щиток более длинной пластины может включать в себя вырез, начинающийся от свободного края более длинной пластины и идущий в направлении свободного края более короткой пластины.

[0018] Этот вырез в более длинной пластине обеспечивает переход на торце лопатки между свободным краем более длинной пластины и свободным краем более короткой пластины на торце лопатки.

[0019] По меньшей мере участок выреза может иметь радиус кривизны.

[0020] Этот радиус кривизны выреза предназначен для минимизации каких бы то ни было локальных концентраций механических напряжений, которые могли бы возникать вдоль этого выреза в том случае, когда вырез имеет резкое изменение направления. Этот вырез представляет собой не просто прямую линию между свободным краем более длинной пластины и свободным краем более короткой пластины на торце лопатки. Вырез может иметь кривизну, которая вдоль выреза изменяется. Кроме того, вырез может представлять первый участок, проходящий вдоль края, образованного торцом лопатки, и прямолинейный второй участок, идущий к свободному краю более короткой пластины, причем, эти два участка связаны между собой посредством участка, имеющего радиус кривизны, который мал относительно других двух участков, то есть, посредством участка значительной кривизны. Этот вырез может представлять также участок, который является прямолинейным, и участок, который имеет радиус кривизны. Участку, имеющему большой радиус кривизны, могут предшествовать участки, которые являются прямолинейными, и (или) участки, которые имеют малые радиусы кривизны, или же такие участки могут следовать за ним.

[0021] Щиток более короткой пластины может включать в себя выступ, начинающийся от свободного края более короткой пластины и идущий в направлении свободного края более длинной пластины.

[0022] Выступ более короткой пластины предназначен для обеспечения перехода между свободным краем более длинной пластины и свободным краем более короткой пластины на торце лопатки. Форма выступа может соответствовать форме выреза в более длинной пластине, так что при этом частичное покрытие торца лопатки имеет толщину, которая постоянна по всей его площади, причем, толщина частичного покрытия является равной сумме толщины щитка спинки и щитка корыта. Далее, из-за своего выступа контактная площадь между щитком корыта и щитком спинки увеличена. Таким образом можно увеличить площадь связи между щитками корыта и спинки.

[0023] Тело лопатки может включать в себя на торце лопатки гнездо для приема щитка спинки и (или) щитка корыта.

[0024] Таким образом, поверхность торца лопатки является плоской, и лопатка на торце лопатки не имеет какой-либо излишней толщины, обусловленной загибом щитка корыта и щитка спинки.

[0025] Изобретение обеспечивает также турбореактивный двигатель, включающий в себя вентилятор, имеющий множество лопаток в том виде, как они определены выше.

[0026] Изобретение обеспечивает также способ изготовления лопатки в том виде, как она определена выше, каковой способ включает в себя следующие этапы:

сборку экрана передней кромки на теле лопатки,

загиб щитка спинки на торец лопатки,

загиб щитка корыта на щиток спинки и

крепление щитка спинки и щитка корыта один к другому посредством клея или сваркой.

[0027] Щиток спинки может быть адгезивно соединен с торцом лопатки.

Краткое описание чертежей

[0028] Другие характеристики и преимущества настоящего изобретения станут понятны из нижеследующего описания вариантов осуществления изобретения, приведенного в качестве не ограничивающих примеров, со ссылкой на сопроводительные чертежи, на которых:

фигура 1 является схематичным видом в перспективе двухконтурного турбореактивного двигателя,

фигура 2 является схематичным видом в перспективе корыта вращающейся лопатки рабочего колеса турбореактивного двигателя по фигуре 1,

фигура 3 является частичным схематичным видом в перспективе лопатки по фигуре 2 до загибания щитков,

фигура 4 является частичным схематичным видом в перспективе вращающейся лопатки во втором варианте осуществления лопатки,

фигуры с 5 до 7 представляют собой виды сечений лопатки по фигуре 4, соответственно, по плоскостям V-V, VI-VI и VII-VII;

фигуры с 8А и 8В представляют собой частичные схематичные виды вращающейся лопатки в третьем варианте осуществления лопатки, и

фигуры с 9 и 10 представляют собой частичные схематичные виды вращающейся лопатки в четвертом и в пятом вариантах осуществления лопатки.

Подробное описание изобретения

[0029] Фигура 1 показывает двухконтурный турбореактивный двигатель 10, с газогенераторным блоком 12 и вентилятором 14. Вентилятор 14 имеет множество вращающихся лопаток 16, которые расположены радиально вокруг центральной оси X, и которые имеют аэродинамические профили, пригодные для подачи воздуха в результате вращения. Таким образом, как показано на фигурах 2 и 3, каждая лопатка 16 имеет переднюю кромку 18, заднюю кромку 20, корыто 22, спинку 24, торец 28 лопатки и хвостовик 28 лопатки.

[0030] При нормальной работе относительный воздушный поток ориентирован по существу на переднюю кромку 18 каждой лопатки 16. Таким образом, передняя кромка 18 особенно подвержена ударам. В частности, когда лопатка 16 имеет тело 30 лопатки, которое выполнено из композиционного материала, а именно, - из органического связующего композиционного материала, например, из армированного волокном полимерного материала, целесообразно защитить переднюю кромку 18 экраном 32 передней кромки, который выполнен интегрально с каждой лопаткой. Другими словами, экран 32 передней кромки собран на теле 30 лопатки.

[0031] Экран 32 передней кромки выполнен из материала который противостоит точечным ударам лучше, чем композиционный материал тела 30 лопатки. Экран 32 передней кромки выполнен главным образом из металла, а более конкретно, - из сплава на основе титана, такого как TA6V (Ti-6Al-4V). Экран 32 передней кромки равным образом может быть выполнен из стали или из металлического сплава, обычно известного под зарегистрированным товарным знаком Inconel^TM. Термин Inconel используется далее для обозначения сплава на основе железа, легированного никелем и хромом.

[0032] Экран 32 передней кромки имеет пластину 34 корыта, пластину 36 спинки и центральную секцию 38, которая является более толстой, которая соединяет между собой пластину 34 корыта и пластину 36 спинки и которая насажена на тело 30 лопатки. Пластины 34 и 36 корыта и спинки предназначены для позиционирования экрана 32 на теле 30 лопатки. Пластины 34 и 36 корыта и спинки имеют, соответственно, свободные края 40 или 42, причем, на фиг. 3 эти края - равной длины.

[0033] Далее, пластина 34 корыта включает в себя щиток 44 корыта и щиток 46 корыта. Щиток 44 корыта и щиток 46 спинки выполнены как одно целое, соответственно, с пластиной 34 корыта и с пластиной 36 спинки.

[0034] На фигуре 2 щитки 44 и 46 корыта и спинки показаны сложенными один с другим, образуя на торце 26 лопатки частичное покрытие 48. Кроме того, щиток 44 корыта прикреплен к щитку 46 спинки, например, посредством клея или сваркой.

[0035] Способ изготовления лопатки 16 включает в себя первый этап сборки экрана 32 на передней кромке тела 30 лопатки, как показано на фигуре 3. Способ также включает в себя этап загиба щитка 46 спинки на торец 26 лопатки и этап загиба щитка 44 корыта на щиток 46 спинки, причем, щиток 46 спинки и щиток 44 корыта прикреплены один к другому, например, посредством клея или сваркой.

[0036] Способ изготовления лопатки 16 может также включать в себя этап, во время которого щиток, расположенный между торцом 26 лопатки и другим щитком, также крепят к торцу 26 лопатки, например, посредством клея. В данном примере щиток 46 спинки может быть адгезивно соединен с торцом 26 лопатки.

[0037] После того, как экран установлен на передней кромке тела 30 лопатки, может быть изготовлена и лопатка 16, - сначала загибом щитка 44 корыта на торец 26 лопатки, а затем - загибом щитка 46 спинки на щиток 44 крыта. Когда щиток 44 корыта сначала загнут на торец 26 лопатки, можно предусмотреть адгезивное соединение щитка 44 корыта с торцом 26 лопатки. При этом щиток 44 корыта и щиток 46 спинки соединены между собой посредством клея или сваркой.

[0038] Элементы, которые являются общими для различных вариантов осуществления, далее обозначены одними и теми же ссылочными позициями.

[0039] На фигурах 4-7 показан второй вариант лопатки 16, в котором пластина 34 корыта длиннее, чем пластина 36 спинки, как это можно видеть, в частности, на фигуре 5.

[0040] Далее в вариантах осуществления по фигурам с 4 по 7 щиток 44 корыта загнут на щиток 46 спинки. Щиток 44 корыта и щиток 46 спинки прикреплены один к другому посредством клея или сваркой. Они образуют частичное покрытие 48 на торце 26 лопатки. Щиток 46 спинки может быть адгезивно соединен с торцом 26 лопатки.

[0041] Щиток 44 корыта имеет, кроме того, вырез 52, начинающийся от свободного края 40 пластины 34 корыта, и идущий в направлении свободного края 42 пластины 42 спинки, когда щиток 44 корыта и щиток 46 спинки загнуты один на другой на торце 26 лопатки.

[0042] В вариантах осуществления по фигурам с 4 по 7 тело 30 лопатки содержит на торце 26 лопатки гнездо 54 для приема щитка 44 корыта и щитка 46 спинки таким образом, что торец 26 лопатки представляет собой поверхность, которая является гладкой и не содержит избыточной толщины на частичном покрытии 48 торца 26 лопатки.

[0043] Фигуры 8A и 8B показывают третий вариант осуществления лопаток 16, в котором пластина 34 корыта длиннее, чем пластина 36 спинки, причем, щиток 44 корыта загнут на щиток 46 спинки. Щиток 44 корыта имеет вырез 52, начинающийся от свободного края 40 пластины 34 корыта, и идущий в направлении свободного края 42 пластины 42 спинки, когда щиток 44 корыта и щиток 46 пластины загнуты один на другой на торце 26 лопатки. Кроме того, щиток 46 корыта имеет выступ 56, начинающийся от свободного края 42 пластины 36 спинки, и идущий в направлении свободного края 40 пластины 34 корыта, когда щиток 44 корыта и щиток 46 спинки загнуты один на другой на торце 26 лопатки.

[0044] В этом варианте исполнения фигур 8A и 8B вырез 52 искривлен, т. е. вырез 52 имеет по меньшей мере один радиус кривизны. Этот радиус кривизны вдоль выреза 52 свободного края 40 пластины 34 корыта может изменяться, проходя в направлении свободного края 42 пластины 36 спинки, или же он может быть постоянным.

[0045] Далее, тело 30 лопатки не имеет гнезда для приема щитков 44 и 46 корыта и спинки, так что щитки 44 и 46 корыта и спинки на частичном покрытии 48 торца 26 лопатки образуют избыточную толщину.

[0046] Фигура 9 показывает вариант осуществления лопаток 16, подобный варианту осуществления по фигурам 8A и 8B, но который отличается тем, что вырез 52 представляет первый участок 58, который начинается от свободного края 40 пластины 34 корыта и который проходит вдоль края торца 26 лопатки, и второй участок 62, который является прямолинейным, продолжающийся к свободному краю 42 пластины 36 спинки, причем первый участок 58 и прямолинейный участок 62 соединены между собой посредством третьего участка 40, который имеет радиус кривизны, который мал по сравнению с другими участками 58 и 62, т. е. третий участок 60 изогнут более сильно, чем другие участки выреза 52.

[0047] Фигура 10 показывает вариант исполнения лопаток 16, в котором пластина 36 спинки длиннее, чем пластина 34 корыта.

[0048] Хотя настоящее изобретение описано со ссылками на конкретные варианты осуществления, ясно, что в эти варианты осуществления могут быть внесены различные модификации и изменения, не выходящие за рамки объема изобретения, в том виде, как он определен пунктами формулы изобретения. Таким образом, индивидуальные характеристики различных вышеупомянутых вариантов осуществления могут быть скомбинированы в дополнительные варианты осуществления. Следовательно, и описание, и чертежи следует рассматривать в том смысле, что они являются иллюстративными, а не ограничительными.

[0049] В частности, вырез 52, представляющий участок, имеющий радиус кривизны, может быть скомбинирован с гнездом для приема щитков корыта и спинки. Приемное гнездо может принять только один из этих двух щитков. Это приемное гнездо может принять оба щитка на одном участке приемного гнезда, в то же время, принимая на другом участке приемного гнезда только один щиток, например, когда щиток более короткой пластины не имеет выступ.

Изобретение обеспечивает лопатку (16), содержащую тело (30) лопатки, выполненное из органического связующего композиционного материала, и экран (32) передней кромки, выполненный из материала, который противостоит точечным ударам лучше, чем композиционный материал тела (30) лопатки. Лопатка (16) включает в себя торец (26) лопатки. Экран (32) передней кромки собран на теле (30) лопатки и он включает в себя пластину (34) корыта и пластину (36) спинки. Пластина (34) корыта включает в себя щиток корыта, а пластина (36) спинки включает в себя щиток спинки. Щиток корыта и щиток спинки загнуты один на другой и прикреплены один к другому таким образом, что образуют частичное покрытие (48) торца (26) лопатки. Изобретение обеспечивает также турбореактивный двигатель, включающий в себя вентилятор, имеющий множество таких лопаток, а также способ изготовления такой лопатки. Таким образом, вероятность повреждения лопатки уменьшена. 3 н. и 7 з.п. ф-лы, 11 ил.

1. Лопатка (16), содержащая тело (30) лопатки, выполненное из композиционного материала с органической матрицей, армированной волокном, и экран (32) передней кромки, выполненный из материала, имеющего лучшее сопротивление точечным ударам, чем композиционный материал тела (30) лопатки, при этом лопатка (16) содержит торец (26) лопатки, причем экран (32) передней кромки собран на теле (30) лопатки и включает в себя пластину (34) корыта и пластину (36) спинки, отличающаяся тем, что пластина (34) корыта включает в себя щиток (44) корыта, и тем, что пластина (36) спинки включает в себя щиток (46) спинки, и при этом щиток (44) корыта и щиток (46) спинки загнуты один на другой и прикреплены один к другому таким образом, что образуют накладку (48), частично покрывающую торец (26) лопатки.

2. Лопатка (16) по п. 1, в которой щиток (44) корыта и щиток (46) спинки прикреплены один к другому посредством клея или сваркой.

3. Лопатка (16) по п. 1 или 2, в которой щиток (44) корыта загнут на щиток (46) спинки.

4. Лопатка (16) по любому из предшествующих пунктов, в которой щиток (44) корыта или щиток (46) спинки прикреплен к торцу (26) лопатки.

5. Лопатка (16) по любому из предшествующих пунктов, в которой каждая из пластины (34) корыта и пластины (36) спинки включает в себя свободный край (40, 42), при этом одна из пластин (34, 36) корыта и спинки является более длинной, чем другая, а щиток более длинной пластины включает в себя вырез (52), начинающийся от свободного края более длинной пластины и идущий в направлении свободного края более короткой пластины.

6. Лопатка (16) по предшествующему пункту, в которой по крайней мере участок выреза (52) имеет радиус кривизны.

7. Лопатка (16) по п. 5 или 6, в которой щиток более короткой пластины включает в себя выступ (56), начинающийся от свободного края более короткой пластины и идущий в направлении свободного края 40 более длинной пластины.

8. Лопатка (16) по любому из предшествующих пунктов, в которой тело (30) лопатки включает в себя на торце (26) лопатки гнездо (54) для приема щитка (44) корыта и (или) щитка (46) спинки.

9. Турбореактивный двигатель (10), включающий в себя вентилятор (14), имеющий множество лопаток (16) по любому из предшествующих пунктов.

10. Способ изготовления лопатки (16) по любому из пп 1-8, причем способ включает в себя следующие этапы:

монтаж экрана (32) передней кромки на теле (30) лопатки,

загиб щитка (46) спинки на торец (26) лопатки,

загиб щитка (44) корыта на щиток (46) спинки и

крепление щитка (46) спинки и щитка (44) корыта один к другому посредством клея или сварки.