ПОЛНЫЙ ВАЛ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ И ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ, СОДЕРЖАЩИЙ ПО МЕНЬШЕЙ МЕРЕ УПОМЯНУТЫЙ ВАЛ
HOLLOW SHAFT OF GAS TURBINE ENGINE, AND GAS TURBINE ENGINE CONTAINING AT LEAST ABOVE DESCRIBED SHAFT

Настоящее изобретение относится к области газотурбинных двигателей, в частности газотурбинных двигателей, таких как турбореактивные или турбовинтовые двигатели, и касается устройства амортизации вибраций.
Авиационные газотурбинные двигатели содержат множество лопаточных колес, то есть вращающихся дисков, по периферии которых установлены подвижные лопатки. Эти лопаточные колеса соединены с цилиндрическими деталями, которые называют валами или стержнями. Эти компоненты являются особо чувствительными деталями, так как они должны отвечать, говоря об определении размеров, требованиям к механической стойкости при вращении, к температуре и аэродинамической нагрузке. Комплекс этих аспектов таков, что эти конструкции нагружены статически и, с учетом требований к сроку службы, амплитуды вибраций, которые они испытывают, должны оставаться малыми. При проектировании и доводке газотурбинного двигателя, требующих координации нескольких дисциплин, процесс определения размеров является итеративным. Определение размеров с учетом вибраций осуществляется для того, чтобы исключить наличие критических мод в рабочем диапазоне. Комплекс утверждается в конце цикла проектирования путем испытания двигателя, при котором измеряются вибрационные амплитуды. Иногда появляются высокие уровни, вызванные либо ответом синхронных или асинхронных воздействий, либо нестабильностями. Проектирование валов или стержней должно быть, в таком случае, сделано заново, что является особенно длительным и дорогостоящим процессом.
В промышленном плане задачей является предсказание, как можно более ранее, при определении размеров уровней вибрационного ответа конструкций для того, чтобы принять корректирующие меры, которые должны быть внедрены в начале проектирования. Среди этих целей механическая амортизация является важной задачей для разработчиков.
Для обеспечения прочности этих деталей по отношению к вибрационной усталости решение заключается в том, что к конструкции добавляют специальные устройства, являющиеся источником рассеивания энергии. Из документа ЕР 1253290 известно, например, средство амортизации на лопатках подвижного колеса компрессора. Оно содержит слой вязкоупругого материала и напряженный слой. Что касается профиля лопаток, находящихся в тракте газового потока, решение, предложенное в этом документе, предусматривает образование полости в профиле лопаток для размещения в них амортизирующих средств. Таким образом, поверхность профиля лопаток, находящихся в контакте с потоком, не имеет нерегулярности, и газовый поток не нарушается. Такая конструкция требует тщательной механической обработки из-за малой толщины лопаток. Более того, существует риск возникновения неравномерности между различными лопатками одного колеса, приводящий к дисбалансу.
Задачей настоящего изобретения является уменьшение динамических реакций конструкции под синхронной или асинхронной нагрузкой аэродинамической или иной природы посредством введения динамической амортизации.
Полый вал газотурбинного двигателя в соответствии с изобретением, содержащий цилиндрическую стенку с частью внутренней поверхности и на одном конце деталь крепления к диску ротора газотурбинного двигателя, характеризуется тем, что на упомянутой части внутренней поверхности закреплено, по меньшей мере, одно средство амортизации вибраций из слоистого материала, при этом средство амортизации содержит, по меньшей мере, один слой вязкоупругого материала в контакте с упомянутой частью поверхности и один противослой из жесткого материала, при этом упомянутый противослой содержит боковое продолжение, образующее деталь механического крепления к валу, и удерживает вязкоупругий слой, опирающимся к упомянутой части внутренней поверхности. Боковое продолжение закреплено к детали крепления вала к диску ротора газотурбинного двигателя.
Оригинальность настоящего изобретения заключается в использовании слоистого материала из вязкоупругого материала с напряженным слоем, при этом упомянутый слоистый материал опирается на конструкцию таким образом, чтобы рассеивать вибрационную энергию детали.
Рассеивание вибрационной энергии обеспечивается деформацией сдвига вязкоупругого материала между конструкцией, которая деформируется под динамической нагрузкой, и напряженным слоем, вовлеченным по инерции. Этот слоистый материал закреплен внутри валов или стержней и непосредственно гасит моды вибраций рассматриваемых деталей.
Изобретение позволяет увеличить структурную амортизацию металлической детали и решить вибрационную проблему, встречаемую при проектировании: следствием этого является, в конечном итоге, уменьшение времени разработки и связанных с ней доводок, а следовательно, уменьшение затрат.
Оно позволяет также расширить классические области проектирования, ограниченные удовлетворением требований по стойкости к переменным нагрузкам, а косвенно, получить выигрыш в массе.
Изобретение применимо независимо от типа динамической нагрузки: пересечение с гармониками двигателей, асинхронное или акустическое возбуждение, аэроупругая нестабильность или возбуждение в контакте ротор-статор. В соответствии с различными вариантами осуществления:
- средство амортизации покрывает частично, аксиально или по окружности, упомянутую часть внутренней поверхности. Вал содержит множество амортизирующих средств, распределенных по окружности на части внутренней поверхности;
- слои связаны между собой;
- противослой содержит деталь механического крепления;
- деталь механического крепления связывает противослой с валом;
- деталь механического крепления удерживает вязкоупругий слой опирающимся к упомянутой части внутренней поверхности;
- слоистый материал состоит из пакета чередующихся вязкоупругих слоев и жестких слоев;
- характеристики вязкоупругого материала изменяются от одного слоя к другому;
- характеристики вязкоупругого материала являются одинаковыми от одного слоя к другому;
- характеристики жесткого материала изменяются от одного жесткого слоя к другому;
- характеристики жесткого материала являются одинаковыми от одного жесткого слоя к другому.
Изобретение относится также к газотурбинному двигателю, содержащему по меньшей мере один такой вал.
В дальнейшем изобретение поясняется нижеследующим описанием, не являющимся ограничительным, со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:
фиг.1 схематично изображает турбореактивный двигатель в аксиальном разрезе, содержащий вал по изобретению;
фиг.2 изображает в разрезе амортизирующий слоистый материал по изобретению;
фиг.3 изображает вал, вид в перспекиве, снабженный амортизирующим слоистым материалом в соответствии с изобретением;
фиг.4 показывает вал по фиг.3 в аксиальном разрезе в соответствии с другим вариантом осуществления изобретения.
На фиг.1 схематично изображен пример газотурбинного двигателя в виде турбореактивного двигателя 1 с истечением первичного и вторичного воздуха и с двумя корпусами. Вентилятор 2 на входе питает двигатель воздухом. Сжатый вентилятором воздух разделяется на два концентрических потока. Вторичный поток выводится непосредственно в атмосферу и обеспечивает основную часть движущей реактивной тяги. Первичный поток направляется через несколько ступеней 3 и 4 компрессии к камере сгорания 5, где он смешивается с топливом и сжигается. Горячие газы питают различные ступени 6 и 7 турбины, которая приводит в движение вентилятор и ступени компрессии. Далее газы выбрасываются в атмосферу. Конструктивно такой двигатель содержит два ротора, вращающихся с различными скоростями: ротор ВД 4-6, через который проходят газы высокого давления, и ротор НД 2-3-7, через который проходят газы низкого давления. Ротор ВД 4-6, содержащий барабанный ротор компрессора ВД 4 и диск турбины ВД 6 с обеих сторон камеры сгорания 5, связанные валом или цилиндрическим стержнем 14. Ротор НД содержит ротор вентилятора 2 и ротор компрессора 3 наддува, связанные валом 13 с ротором турбины НД.
В соответствии с изобретением средства динамической амортизации вибраций располагают на внутренних частях поверхности валов или цилиндрических стержней, связывающих роторы между собой.
Как видно на фиг.2, амортизирующее средство 30 выполнено в виде слоистого материала с множеством уложенных один на другой слоев. В соответствии с вариантом осуществления слоистый материал содержит слой 32 вязкоупругого материала и противослой 34 из жесткого материала. Слоистый материал 30 накладывается слоем 32 к поверхности амортизируемой конструкции.
Вязкоупругость является свойством твердого тела или жидкости, которые при деформации проявляют одновременно вязкость и упругость одновременным рассеиванием и накоплением механической энергии.
Изотропные или анизотропные характеристики упругости жесткого материала противослоя 34 превышают изотропные или анизотропные характеристики вязкоупругого материала в желаемом диапазоне термического и частотного функционирования. В качестве неограничивающего примера материалом слоя 34 может быть металл или композит, а в качестве материала слоя 32 - каучук, силикон, полимер, стекло или эпоксидная смола. Материал должен быть эффективен в смысле рассеивания энергии в желаемой конфигурации, соответствующей определенным диапазонам температур и частот. Он выбирается, исходя из его характерных модулей сдвига, выраженных в деформации и скорости.
В соответствии с другими вариантами осуществления слоистый материал содержит несколько слоев 32 вязкоупругого материала и несколько слоев 34 из жесткого материала, которые размещены попеременно. Пример на фиг.2 показывает неограничивающим образом слоистый амортизирующий материал, содержащий три слоя 32 из вязкоупругого материала и три противослоя 34 из жесткого материала. В соответствии с чертежами слои 32 вязкоупругого материала и противослои 34 жесткого материала имеют одинаковые размеры или разные размеры. Когда слоистый материал содержит несколько слоев 32, они все могут иметь одинаковые механические характеристики, либо иметь различные механические характеристики. Когда слоистый материал содержит несколько противослоев 34, они все могут иметь одинаковые механические характеристики или различные механические характеристики. Слои 32 и противослои 34 скреплены одни с другими предпочтительно посредством адгезии с помощью клеящей пленки либо полимеризацией.
На фиг.3 представлен первый вариант осуществления. Вал 40, на чертеже показана только ближняя к его концу часть, является полым и содержит цилиндрическую стенку 41. Этот конец снабжен деталью крепления 45 к такой детали, как, например, диск турбины или компрессора. Соединение осуществляется с помощью болтов. Эта деталь крепления 45 содержит цилиндрическую часть с той же осью, что и полый вал, с диаметром, превышающим последний. Она связана с валом 40 частью в форме почти усеченного конуса. Внутренняя поверхность 41i вала содержит, по меньшей мере, одну прямую часть почти цилиндрической формы, параллельную оси вала. Слоистый материал 30, состоящий из двух слоев: вязкоупругого 32 и жесткого противослоя 34, закреплен на этой части поверхности 41i. Слоистый материал 30 закреплен здесь путем приклеивания или полимеризации на части поверхности 41i. Этот слоистый материал размещен на аксиальной части цилиндрической части поверхности 41i. Предпочтительно он размещен по окружности на всей поверхности.
При работе, моды вибраций вала демпфируются слоистым материалом без нарушения аэродинамического потока в газовом тракте.
На фиг.4 представлен второй вариант осуществления. Вал является таким же, как вышеописанный. Конец вала снабжен деталью крепления 45 к такой детали, как, например, диск турбины или компрессора. Соединение осуществляется с помощью болтов. Эта деталь крепления 45 содержит цилиндрическую часть с той же осью, что и полый вал, с диаметром, превышающим диаметр конца последнего. Она соединена частью в форме почти усеченного конуса с валом 40. Слоистый амортизирующий материал 30' здесь также содержит вязкоупругий слой 32' и жесткий противослой 34'. Жесткий противослой 34' содержит боковое продолжение 34а', то есть продолжение по оси вала, которое опирается на часть последнего. В соответствии с этим примером речь идет о детали крепления 45. Боковое продолжение 34а' содержит часть в форме усеченного конуса и цилиндрическую часть. Цилиндрическая часть опирается на внутреннюю поверхность цилиндрической части детали крепления 45. Она соединена болтами или соединена любым другим образом с деталью крепления 45. Предпочтительно крепление содержит болтовое соединение детали крепления 45 к диску, с которым связан вал. Благодаря этому средству обеспечивается наилучшее поведение слоистого амортизирующего материала при различных ситуациях, которым должен противостоять вал. В этом случае слоистый материал необязательно должен быть приклеен к внутренней поверхности вала. Предпочтительное выполнение механического крепления обеспечивает прижатие слоистого материала к этой поверхности таким образом, чтобы пои возникновении вибраций они передавались на вязкоупругий слой.