КОМПОЗИЦИОННАЯ ЛОПАТКА ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ С МЕТАЛЛИЧЕСКИМ УСИЛИТЕЛЬНЫМ ЭЛЕМЕНТОМ
COMPOSITE BLADE OF GAS TURBINE ENGINE WITH REINFORCING METAL ELEMENT

Область техники
Настоящее изобретение относится к области конструирования лопаток газотурбинного двигателя. В частности, оно касается лопатки вентилятора газотурбинного двигателя, выполненной из композитного материала и содержащей переднюю кромку, оборудованную металлическим конструктивным усилительным элементом.
Предшествующий уровень техники
Известно усиление лопаток вентилятора газотурбинного двигателя, выполненных из композитного материала, металлическим конструктивным усилительным элементом, расположенным по всей высоте лопатки и за пределами ее передней кромки. Такой усилительный элемент позволяет защитить композиционные лопатки при столкновениях с вентилятором постороннего объекта, такого, например, как птица, попавшая в газотурбинный двигатель.
В частности, металлический усилительный элемент защищает переднюю кромку лопатки из композитного материала и позволяет избежать расслоения в случае многослойной лопатки и повреждения при расцеплении между волокнами и матрицей или при разрыве волокна в случае лопатки, выполненной из переплетенных волокон.
Вместе с тем, наличие металлического конструктивного усилительного элемента, закрывающего переднюю кромку лопатки, не всегда является эффективным для защиты композиционной лопатки при попадании постороннего предмета.
Сущность изобретения
Таким образом, задачей настоящего изобретения является устранение этого недостатка путем создания композиционной лопатки, способной выдерживать удар постороннего предмета, чтобы не допустить повреждения композиционной лопатки.
В связи с этим объектом настоящего изобретения является лопатка газотурбинного двигателя, содержащая аэродинамическую поверхность в первом направлении между передней кромкой и задней кромкой и во втором направлении, по существу перпендикулярном к первому направлению, между ножкой и вершиной лопатки, при этом упомянутую аэродинамическую поверхность выполняют из композитного материала, при этом, согласно изобретению, лопатка содержит сплошной металлический усилительный элемент, приклеенный к передней кромке аэродинамической поверхности лопатки, расположенный вдоль первого направления за пределами передней кромки аэродинамической поверхности лопатки и вдоль второго направления между ножкой и вершиной лопатки и содержащий, по меньшей мере, одну полость, предназначенную для поглощения, по меньшей мере, части энергии при столкновении постороннего предмета с передней кромкой лопатки.
Наличие, по меньшей мере, одной полости в сплошном металлическом усилительном элементе позволяет ему поглощать часть энергии, возникающей при столкновении постороннего предмета с лопаткой. Рассеяние энергии удара происходит за счет пластической деформации металлического усилительного элемента. Таким образом, столкновение постороннего предмета с лопаткой не приводит к значительному повреждению композиционной лопатки.
Предпочтительно, чтобы полость была выполнена по существу в первом направлении. В этом случае полость может выходить наружу на уровне передней кромки аэродинамической поверхности лопатки и/или на уровне передней кромки металлического усилительного элемента.
Предпочтительно также, чтобы полость была выполнена по существу во втором направлении. В этом случае полость может выходить наружу на уровне ножки и/или на уровне вершины лопатки.
Предпочтительно также, чтобы полость была выполнена по существу в третьем направлении, перпендикулярном к первому и второму направлениям. В этом случае полость может выходить наружу на уровне корытца лопатки и/или спинки лопатки.
Металлический усилительный элемент можно выполнять на основе титана. Что касается лопатки, то она может быть лопаткой вентилятора газотурбинного двигателя.
Объектом настоящего изобретения является также газотурбинный двигатель, содержащий, по меньшей мере, одну описанную выше лопатку.
Краткое описание чертежей
Другие отличительные признаки и преимущества настоящего изобретения будут более очевидны из нижеследующего описания, приводимого со ссылками на прилагаемые чертежи, которые иллюстрируют не ограничительный пример выполнения и в числе которых:
фиг.1 изображает вид в продольном разрезе лопатки в соответствии с настоящим изобретением;
фиг.2 и 3 изображает частичный вид в разрезе соответственно по II-II и III-III;
фиг.4А и 4В - частичный вид в поперечном разрезе варианта выполнения лопатки, показанной на фиг.1;
фиг.5А и 5В - частичный вид в поперечном разрезе лопатки согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения;
фиг.6А и 6В - частичный вид в поперечном разрезе лопатки согласно еще одному варианту осуществления настоящего изобретения.
Подробное описание варианта осуществления изобретения
На фиг.1 и 2 показана лопатка 10 газотурбинного двигателя согласно варианту осуществления настоящего изобретения. Эта лопатка является, например, подвижной лопаткой вентилятора газотурбинного двигателя.
Лопатка содержит аэродинамическую поверхность 12, выполненную в первом осевом направлении 14 между передней кромкой 16 и задней кромкой 18 и во втором радиальном направлении 20, по существу перпендикулярном к первому направлению 14, между ножкой 22 и вершиной 24. Как показано на фиг.2, где лопатка изображена частично в поперечном разрезе, лопатка расположена также в третьем тангенциальном направлении 26, перпендикулярном к первому и второму направлениям, между корытцем 28 и спинкой 30. Корытце и спинка лопатки образуют боковые стороны лопатки, соединяющие переднюю кромку 16 с задней кромкой 18 лопатки.
Лопатку и, в частности, ее аэродинамическую поверхность 12 выполняют путем наложения полотен слоями или путем переплетения волокон композитного материала. Например, этот композитный материал может представлять собой соединение переплетением углеродных волокон или формованием углеродных волокон, полученных путем вакуумной инжекции RTM («Resin Transfer Molding»).
Аэродинамическая поверхность 12 лопатки в соответствии с изобретением содержит металлический конструктивный усилительный элемент 32, приклеенный к ее передней кромке 16 и расположенный одновременно в первом направлении 14 за пределами передней кромки 16 аэродинамической поверхности лопатки и во втором направлении 20 между ножкой 22 и вершиной 24 лопатки.
Как показано на фиг.2 и 3, конструктивный усилительный элемент 32 повторяет форму передней кромки 16 аэродинамической поверхности, которую он продолжает, образуя переднюю кромку 16', называемую в дальнейшем передней кромкой усилительного элемента. Например, расстояние, отделяющее передние кромки 16 и 16', измеренное в первом направлении 14, может составлять порядка 3-4 см для лопатки, в которой расстояние между передней кромкой 16 и задней кромкой 18 достигает 50 см (что составляет 6-8% этого расстояния).
Кроме того, конструктивный усилительный элемент 32 расположен в первом направлении 14 за пределами передней кромки 16 аэродинамической поверхности, охватывая профиль корытца 28 и спинки 30 лопатки.
Конструктивный усилительный элемент 32 в соответствии с настоящим изобретением является сплошным (или моноблочным), то есть заполнен материалом как в поперечном разрезе, так и в продольном разрезе. Например, как показано на фиг.2, в поперечном разрезе не происходит разрыва сплошности между передним кромками 16 и 16'.
Конструктивный усилительный элемент 32 лопатки является металлическим и предпочтительно выполнен на основе титана. Действительно, этот материал обладает высокой способностью поглощения энергии при ударах. Усилительный элемент крепится на лопатке при помощи клея, при этом используемый клей может быть, например, цианолитом или эпоксидным клеем.
Согласно изобретению, металлический усилительный элемент 32 лопатки содержит, по меньшей мере, одну полость, предназначенную для поглощения, по меньшей мере, части энергии, возникающей при столкновении постороннего предмета с передней кромкой лопатки.
Число полостей металлического усилительного элемента лопатки, их форма, размещение и направление могут меняться в зависимости от варианта применения. Эти параметры определяют и оптимизируют в зависимости от наиболее критического случая столкновения, которое может произойти в реальности.
Далее следует описание различных предпочтительных геометрических форм полостей металлического усилительного элемента в соответствии с настоящим изобретением.
В варианте выполнения, показанном на фиг.3, 4А и 4В, полость усилительного элемента 32 выполнена в виде полого пространства 34а, расположенного в первом направлении 14 лопатки.
В частности, в варианте выполнения, показанном на фиг.3, полость выполнена в виде полого пространства 34а, которое выходит на уровне передней кромки 16 аэродинамической поверхности 12 лопатки.
В варианте, показанном на фиг.4А, полость выполнена в виде полого пространства 34а, которое выходит на уровне передней кромки 16' металлического усилительного элемента 32.
Что касается полости 43А, показанной на фиг.4В, то она выходит одновременно на уровне передней кромки 16 аэродинамической поверхности 12 и на уровне передней кромки 16' металлического усилительного элемента 32.
В варианте выполнения, показанном на фиг.5А и 5В, полость усилительного элемента 32 выполнена в виде полого пространства 34b, расположенного во втором направлении 20 лопатки.
Это полое пространство 34b может выходить на уровне ножки 22 и/или на уровне вершины 24 лопатки. В случае полого пространства, выходящего одновременно на уровне ножки и вершины лопатки, воздушный поток может проходить через лопатку, что способствует улучшению аэродинамических характеристик газотурбинного двигателя.
Кроме того, как показано на фиг.5А, полость металлического усилительного элемента может быть выполнена в виде только одного полого пространства 34b, имеющего по существу круглое сечение. В альтернативном варианте, показанном на фиг.5В, полость может состоять из нескольких полых пространств (в количестве трех в данном примере выполнения).
Можно предусмотреть любую другую форму сечения (овальное, многоугольное и т.д.). Кроме того, размеры полого пространства или полых пространств могут меняться по всей высоте лопатки, чтобы соответствовать соотношению массы постороннего предмета, сталкивающегося с лопаткой, и высоты лопатки.
В варианте выполнения, показанном на фиг.6А и 6В, полости усилительного элемента 32 выполнены в виде полых пространств 34с, расположенных в третьем направлении 26 лопатки.
В частности, в варианте выполнения, показанном на фиг.6А, предусмотрены две полости, каждая из которых образует полое пространство 34с, которое выходит одновременно на уровне корытца 28 лопатки и на уровне спинки 30 лопатки. Таким образом, полости способствуют циркуляции воздушного потока между корытцем и спинкой, что позволяет улучшить аэродинамические характеристики газотурбинного двигателя.
В варианте выполнения, показанном на фиг.6В, предусмотрены две полости, каждая из которых выполнена в виде полого пространства 34с, выходящего только на уровне спинки 30 лопатки.
В вариантах выполнения, показанных на фиг.3, 4А, 4В, 5А, 5В, 6А и 6В, полости выполнены в виде пространств 34а-34с, которые являются пустыми. Вместе с тем, можно предположить, что эти пространства заполнены не конструктивным материалом (то есть не обладающих жесткостью) таким образом, чтобы заполнить поверхность профиля. Например, таким не конструктивным материалом может быть полимер, каучук или силикон.