УСТРОЙСТВО ДЛЯ УДЕРЖАНИЯ ОТОРВАВШИХСЯ ЛОПАТОК В ДВУХКОНТУРНОМ ТУРБОРЕАКТИВНОМ ДВИГАТЕЛЕ
DEVICE TO RETAIN BROKEN BLADES IN BYPASS JET

Изобретение относится к области авиационного машиностроения и может быть использовано при проектировании, изготовлении и эксплуатации авиационных двигателей.
Известны технические решения, направленные на удержание оторвавшихся лопаток и их фрагментов как силовым жестким корпусом вентилятора [Пейчев Г.И., Николаевский С.В., Вигант Ю.В. Композиты в авиадвигателях семейства Д-36. - Технологические системы: научно-технический журнал, 2000, №2(4), стр.15-21], так и устройствами, установленными на корпусе в виде чехлов, тороидальных камер и т.п., в которых предусмотрены кольцевые полости между корпусом и чехлом, корпусом и камерой, заполненные легкими жесткими материалами или, например, сотами [патент США №6814541].
Удержание лопаток и их осколков жестким корпусом обеспечивает только частичное поглощение энергии за счет локального сопротивления упругих свойств материалов корпуса и их частичного разрушения, а основная часть энергии поглощается путем рикошетирования лопаток от стенок корпуса в проточную часть вентиляторного контура. При этом разрушившаяся лопатка соударяется с остальными лопатками на роторе и другими элементами конструкции двигателя неопределенным образом и выбрасывается за пределы двигателя. Кроме того, такие конструкции имеют большие габариты и массу, не позволяющие вписать (адаптировать) их в компоновку существующих авиадвигателей без изменения смежных узлов и агрегатов.
Удержание лопаток с помощью устройств типа нежестких чехлов, установленных на корпусе вентилятора, предполагает более высокую степень эффективности поглощения энергии по отношению к жесткому корпусу без чехла и вносит некоторую определенность, когда оторвавшаяся лопатка не рикошетирует в проточную часть, а улавливается чехлом и застревает между чехлом и корпусом вне проточной части вентиляторного контура. При этом уменьшается вероятность соударения застрявшей в чехле лопатки с остальными лопатками.
Наиболее близким к заявляемому устройству для удержания оторвавшихся лопаток является решение, изложенное в патенте США №6814541 от 07.10.2002. Предлагается устройство защитной оболочки корпуса вентилятора авиационного турбовентиляторного двигателя, состоящей из внутренней сотовой алюминиевой конструкции и наружного чехла многослойного варианта на основе полиуретана, армированного материалом типа Kevlar.
Основным недостатком данного технического решения являются большие габариты устройства, связанные с необходимостью создания специальной объемной кольцевой камеры, заполненной сотами, для размещения - «улавливания» в ней оторвавшейся лопатки и передвижения в окружном направлении между наружным удерживающим чехлом и корпусом вентилятора с целью максимального поглощения энергии.
Технической задачей предлагаемого изобретения является:
1. Повышение надежности устройства для удержания оторвавшихся лопаток или их фрагментов в двухконтурном турбореактивном двигателе с целью обеспечения безопасности полетов.
2. Повышение баллистической эффективности и демпфирующей способности удерживающего устройства при минимальных массе и габаритах конструкции в жестких габаритных и массовых ограничениях, связанных с тем, что корпус вентилятора с удерживающим устройством должен вписаться (адаптироваться) без изменений смежных узлов и агрегатов в существующий авиадвигатель с некоторой модификацией.
Сущность изобретения заключается в том, что в устройстве для удержания оторвавшихся лопаток, установленном на корпусе вентилятора двухконтурного турбореактивного двигателя, выполненном в виде чехла, содержащем защитную оболочку из волокнистого материала, охватывающую корпус по наружной поверхности, защитная оболочка выполнена с кольцевыми гофрами из слоев высокопрочной ткани, намотанной и закрепленной на корпусе жгутом, намотанным между гофрами, через промежуточный слой легкодеформируемого материала или колец из него, например колец из пористой резины, которые образуют в процессе удержания кольцевой зазор между защитной оболочкой и корпусом и местную полость в виде «ловушки» лопатки. По периметру под защитной оболочкой на корпусе вентилятора могут быть установлены завальцованные по окружности металлические пластины с нахлестом в сторону вращения ротора, которые скреплены между собой легкоразрушаемым механическим или клеевым соединением, например, с помощью заклепок или клея.
Технический результат достигается тем, что с целью обеспечения максимальной баллистической эффективности и демпфирующих свойств при жестких габаритных и массовых ограничениях защитная оболочка выполнена с кольцевыми гофрами из слоев высокопрочной ткани, например органоткани типа «Русар», намотанной и закрепленной на корпусе жгутом, намотанным между гофрами через промежуточный слой легкодеформируемого материала или колец из него, например колец из пористой резины. Кольца образуют исходный кольцевой зазор заданного размера между корпусом и оболочкой, который в процессе удара лопаткой и пробития силовой стенки корпуса выбирается по периметру путем натяжения оболочки, обжимая резиновые кольца. Натянутая оболочка, расправляя гофры, образует местную полость в виде «ловушки» достаточных размеров для радиального и тангенциального внедрения и движения с торможением лопатки под оболочкой. Таким образом, обеспечивается поглощение основной части кинетической энергии удара лопатки за счет сопротивления волокон ткани с упругими свойствами, возникающих сил трения и демпфирования, с частичным разрушением элементов устройства и корпуса вентилятора. Защитная оболочка удерживает лопатку и ее осколки «в ловушке», снижая вероятность соударения с остальными лопатками на роторе. Для уменьшения эффекта «резания» защитной оболочки острыми кромками лопатки и распределения силы удара лопаткой на наибольшую поверхность оболочки по периметру под оболочкой установлены завальцованные по окружности металлические пластины с нахлестом в сторону вращения ротора, которые скреплены между собой легкоразрушаемым механическим или клеевым соединением, например, с помощью заклепок.
Таким образом, предлагаемое устройство позволяет обойтись без специальных кольцевых камер больших габаритов для улавливания лопатки подобно патенту США №6814541.
На фиг.1 представлен эскиз предлагаемого устройства для удержания оторвавшихся лопаток, установленного на корпус вентилятора:
1 - корпус вентилятора, выполненный из металлических или композиционных материалов;
2 - гофрированная защитная оболочка, выполненная из многочисленных слоев высокопрочной ткани, например органоткани типа «Русар;
3 - жгуты из высокопрочных волокон, например типа «Русар», крепящие защитную оболочку на корпусе с образованием заданного количества гофр;
4 - кольца из пористой резины, образующие исходный кольцевой зазор заданных размеров между корпусом и защитной оболочкой;
5 - завальцованные по окружности металлические пластины, установленные на корпусе по периметру под защитной оболочкой;
6 - оторвавшаяся лопатка (на фиг.1 и 2 условно показана одна лопатка);
7 - заклепки;
8 - местная полость в виде «ловушки».
Схема работы предлагаемого устройства для удержания лопаток вентилятора и их фрагментов с условно разложенным движением на радиальную и окружную составляющие представлена:
- на фиг.2 - исходное положение (вид А-А фиг.1);
- на фиг.3 - движение лопатки в радиальном направлении;
- на фиг.4 - движение лопатки в окружном направлении.
I стадия (фиг.3). Частичное поглощение энергии происходит за счет деформации и местного разрушения в процессе пробития лопаткой 6 отверстия в корпусе 1, изготовленном из металлического или композиционного материала.
II стадия (фиг.3). Частичное поглощение энергии за счет деформации металлических пластин 5 и разрыва легкоразрушаемого соединения пластин по местам нахлестов, скрепленных заклепками 7. Также происходят распределение энергии удара на наибольшую поверхность защитной оболочки 2 и уменьшение эффекта резания ее острыми кромками лопатки 6.
III стадия (фиг.3). Частичное поглощение энергии за счет радиального перемещения пластин 5 совместно с защитной оболочкой 2 путем выборки заданного исходного зазора с обжатием легкодеформируемых резиновых колец 4 по периметру корпуса 1 и образованием расчетной по величине местной полости в виде «ловушки» 8.
IV стадия (фиг.3, 4). Частичное поглощение энергии путем разрыва жгутов 3 и распрямления гофр под натяжением при ударе лопатки 6, при которых создается дополнительное трение между слоями ткани и волокнами. При этом увеличивается объем «ловушки» 8, обеспечивающий размещение и фиксацию в ней оторвавшейся лопатки и ее осколков.
V стадия (фиг.3, 4). Лопатка 6, не преодолевшая сопротивления на стадиях I…IV, чтобы пробить защитную оболочку 2, продолжает передвигаться в «ловушке» 8 под оболочкой 2 в окружном направлении на значительно большем участке пути, чем в радиальном направлении, вплоть до фиксации - «улавливания», поглощая наибольшую часть энергии за счет сопротивления волокон ткани с упругими свойствами и возникающих сил трения и демпфирования.
При этом необходимо отметить, что исходный зазор (или толщина резиновых колец) и соответствующие размеры «ловушки» определяются в первом приближении расчетным путем и уточняются по результатам испытаний.
Результаты баллистических испытаний гофрированной защитной оболочки из органоткани типа «Русар» на модельном образце корпуса вентилятора в масштабе 1:3 по предлагаемой схеме показали увеличение баллистической эффективности более чем в 2 раза по отношению к защитной оболочке без гофр при прочих равных условиях. При скоростной съемке телекамерой процесса удара и движения имитатора лопатки в «ловушке» в окружном направлении зафиксирован положительный эффект демпфирования с обратным перемещением имитатора после остановки.
Подобные испытания на модельных образцах позволяют прогнозировать габаритные размеры, толщину и массу защитной оболочки по предлагаемой конструктивной схеме.
Таким образом, предлагаемое устройство для удержания оторвавшихся лопаток вентилятора позволяет повысить баллистическую эффективность, демпфирующие свойства и массовые характеристики защитной оболочки и корпуса вентилятора в целом за счет постадийной оптимизации степени поглощения энергии по элементам конструкции корпуса и защитной оболочки при жестких габаритных и массовых ограничениях. При этом основная роль в поглощении наибольшей доли энергии оторвавшейся лопатки отводится защитной гофрированной оболочке.