ПОЛАЯ ЛОПАТКА ВЕНТИЛЯТОРА
FAN HOLLOW BLADE

Изобретение относится к двигателестроению, а более точно касается конструкции рабочей лопатки вентилятора преимущественно газотурбинного двигателя летательного аппарата.
В настоящее время для снижения массы применяют облегченные - полые или из композитных материалов лопатки вентилятора.
Известны лопатки вентилятора, содержащие продольное полое перо (патент РФ №1304512).
Известна рабочая лопасть вентилятора, содержащая полое перо и сотовый наполнитель, расположенный в его полости (патент РФ №1147097, опубл. 1983 г.). Для улучшения демпфирующих свойств с целью повышения надежности работы в ячейках сотового наполнителя размещены грузики. Грузики могут иметь форму шара, цилиндра или ячейки. Грузики могут быть выполнены также из материалов с различными модулями упругости.
Известна полая лопатка осевого вентилятора выполненная из двух полулопаток и содержащая в полости ячеистый заполнитель, (патент РФ №1815873), зафиксированный на поверхности одной полулопатки. Элементы заполнителя выполняются объемными, звездообразной формы, с тремя или более упругими лучами и размещены в полости с определенным шагом.
Известен вентилятор турбореактивного двигателя, содержащий лопатку, имеющую основное продольное направление, вдоль которого расположены центральная зона, образующая сердечник, и периферическая зона, образующая оболочку, охватывающую сердечник, причем сердечник и оболочка образуют между собой металлургическое соединение. Оболочка и/или сердечник выполнены из материала, содержащего металлическую матрицу, при этом один из материалов является композитным материалом с металлической матрицей, содержащей усилительные элементы, рассредоточенные в металлической матрице (заявка РФ №2005105069)
Известна лопатка вентилятора, содержащая обечайку с хвостовиком и внутренней полостью, в которой размещены наполнитель и силовые элементы. С целью увеличения прочности и жесткости наполнитель и силовые элементы размещены в части внутренней полости определенной высоты. Остальная часть полости заполнена полыми шариками, например, из керамики (патент РФ №1267840).
Известные технические решения увеличение прочности достигают путем размещения внутри полости лопатки дополнительных конструктивных элементов, что приводит в увеличению массы лопатки.
При применении полых лопаток возникает проблема - из-за введения полостей возрастает чувствительность лопатки к удару посторонними предметами, а также к резонансным колебаниям по пластинчатым формам оболочек лопатки, что может привести к разрушению лопатки, а в критических случаях и к повреждению двигателя.
Возможным решением снижения повреждаемости в полых лопатках является увеличение жесткости во внутренних сечениях за счет утолщения боковых стенок между ребрами, утолщения самих внутренних ребер, сокращения расстояния между ними, что, в свою очередь, приводит к увеличению массы.
Известна полая лопатка вентилятора газотурбинного двигателя из двух наружных обшивок, которые соединяются между собой такими внутренними упрочняющими элементами, как ребра или мостики, установленные в двух пересекающихся диагональных направлениях относительно продольного и поперечного направления лопатки (патент Великобритании №2272731 от 1994).
Для придания жесткости может быть применено как местное изменение толщины спинки и/или корыта, так и введение дополнительного листа в виде гофра внутрь профильной части.
Наиболее близким техническим решением является известная полая, лопатка, отстроенная по резонансным частотам (патент США №6033186, опубл. 2000 г.). Внутри полости лопатки определенным образом размещены ребра для увеличения изгибной и крутильной жесткости пера лопатки и увеличения разницы частот между смежными крутильными и изгибными резонансными формами колебаний. В корневом сечении пера лопатки полости как правило не размещают. Для сохранения лопаткой аэродинамического профиля и обеспечения внутреннего демпфирования применяется наполнитель, например, резиновый каучук, заполняющий полости.
Для дополнительного снижения массы возможно применение множества отверстий, проходящих через ножку лопатки и заканчивающихся, вблизи полостей. Данные отверстия не сильно изменяют изгибную/крутильную жесткость лопатки.
Для изменения какой-либо резонансной частоты лопатки вводят дополнительные ребра. Размещение и число ребер определяется для каждой конкретной лопатки опытным путем или с использованием современных вычислительных комплексов. Определение оптимального расположения и числа ребер носит итерационный характер.
Это техническое решение устраняет резонанс лопатки от изгибных и крутильных колебаний (т.е. отстраивает частоту колебаний лопатки от внешних источников возбуждения) введением дополнительных конструктивных элементов в виде ребер внутрь полости лопатки, что увеличивает массу лопатки. Снизить массу лопатки возможно лишь за счет сверления отверстий в ножке лопатки.
Помимо отстройки от изгибных и крутильных колебаний для полых лопаток существует проблема отстройки от резонанса пластинчатых форм колебаний оболочечных участков лопатки. Известное техническое решение эту проблему не решает.
Отстройка от пластинчатых форм может быть выполнена путем постановки дополнительных ребер жесткости, но это приведет к увеличению массы.
В настоящее время существует необходимость в изготовлении более легких лопаток вентилятора, что позволяет вентилятору с такими лопатками работать при более высоких окружных скоростях, выполнить его с меньшими размерами диска, тем самым сделать его менее дорогим и создать условия для улучшения основных показателей двигателя (массы, удельной тяги).
В основу настоящего изобретения положена задача повышения динамической прочности за счет дополнительной отстройки от резонанса пластинчатых форм колебаний оболочечных участков полой лопатки от внешних источников возбуждения. Повышение прочности не должно достигаться за счет ухудшения технических характеристик двигателя или уменьшения его ресурса или увеличения массы.
Техническим результатом является увеличение жесткости и отстройка частот при пластинчатых формах колебаний оболочечных участков полой лопатки от внешних источников возбуждения за счет наддува газа в полость лопатки.
Поставленная задача решается тем, что полая лопатка вентилятора, содержащая аэродинамически профилированную оболочку, конструктивные элементы, размещенные внутри оболочки определенным образом для придания лопатке заданной изгибной и крутильной жесткости и отстраивающие лопатку по резонансным частотам от изгибных и крутильных колебаний, выполненные в виде ребер, создающих ячеистую структуру полости оболочки, дополнительно содержит внутри ячеек газообразную среду с избыточным давлением в качестве конструктивного элемента для придания жесткости и отстройки по резонансным частотам от пластинчатых форм колебаний оболочечных участков внешних листов лопатки, при этом избыточное давление имеет величину, увеличивающую жесткость оболочечных участков внешних листов лопатки и приводящую к увеличению разности частот между частотой собственных колебаний оболочечных участков пера лопатки и частотой воздействия внешних источников возмущений, а оболочка выполнена герметичной.
Полая лопатка вентилятора может содержать по меньшей мере две сообщающиеся ячейки.
Избыточное давление может быть равновелико во всех ячеистых структурах оболочки.
Полая лопатка вентилятора может быть также выполнена так, что избыточное давление по меньшей мере в одной ячейке имеет собственное значение. По меньшей мере одна ячейка полости оболочки при этом должна быть выполнена герметичной.
В дальнейшем изобретение поясняется описанием и чертежами, на которых:
фиг.1а и фиг.1б - принципиальная конструкция полой лопатки вентилятора, согласно изобретению;
фиг.2 иллюстрирует зависимость частоты собственных колебаний пера полой лопатки вентилятора от величины избыточного давления внутри полой лопатки;
фиг.3 иллюстрирует влияние частоты собственных колебаний пера полой лопатки вентилятора при наличии и отсутствии избыточного давления при заданной частоте внешнего источника возмущения на положение резонанса.
Полая лопатка вентилятора (фиг.1а и фиг.1б), отстроенная по резонансным частотам, содержит аэродинамическую профилированную оболочку 1, представляющую собой оболочку из внешних листов профиля, образующих спинку 2 и корыто 3. Внутри полости оболочки 1 расположены конструктивные элементы жесткости 4 для придания лопатке заданной изгибной и крутильной жесткости и приспособленные для отстраивания лопатки по резонансным частотам от изгибных и крутильных колебаний. Конструктивные элементы 4 могут быть выполнены в виде прямых ребер, соединенных с оболочкой 1 (фиг.1а) или ребер в виде гофра (фиг.1б). Конструктивные элементы 4 создают внутри полости оболочки 1 ячеистую структуру с ячейками 5. Отстройку по резонансным частотам от изгибных и крутильных колебаний выполняют подбором этих элементов известным образом.
Корневую часть лопатки закрепляют в диске вентилятора (не показан).
Полая лопатка вентилятора, согласно изобретению, внутри ячеек 5 содержит газообразную среду с избыточным давлением, в качестве конструктивного элемента, для придания жесткости оболочечным участкам, приспособленного для отстройки по резонансным частотам от пластинчатых форм колебаний оболочечных участков профиля лопатки. Избыточное давление имеет величину, увеличивающую жесткость оболочечных участков, приводящую к увеличению разности частот между частотой собственных колебаний оболочечных участков пера лопатки (некорневой части) и частотой воздействия внешних источников возмущений. Избыточное давление может создаваться во всех ячейках 5 наддувом газа в полость оболочки лопатки. В качестве газа целесообразно использовать воздух. Однако возможно использование иного газа. Конструктивные элементы жесткости 4 снабжены отверстиями 6, соединяющими полости ячеек для выравнивания давления. Оболочка 1 выполнена герметичной.
Возможен вариант полой лопатки с наддувом отдельных ячеек 5 для отстройки от резонанса определенных участков профиля полой лопатки, например одной ячейки. Полость этой ячейки выполнена герметичной.
Форма и количество элементов жесткости в полости лопатки определяется расчетом или экспериментально исходя из необходимости обеспечения статической и динамической прочности.
При этом обеспечение динамической прочности, согласно изобретению, заключается как в отстройке от резонансов с внешними источниками возбуждения пера лопатки при его колебаниях по изгибным и крутильным формам, так и оболочечных участков наружных поверхностей профильной части от резонансов по пластинчатым формам колебаний.
Моделированием установлено, что создание избыточного давления газа внутри оболочки лопатки изменяет местную жесткость и, соответственно, частоту колебаний оболочечных участков. Под действием избыточного давления в наружных оболочечных поверхностях возникают напряжения растяжения, приводящие к росту изгибной жесткости оболочки, а следовательно, изменению ее частоты собственных колебаний (подобно струне).
Величина избыточного давления может быть подобрана на основе расчета собственных частот колебаний пустотелой лопатки с заданным внутри нее давлением, например, методом конечных элементов (Зенкевич О. Применение метода конечных элементов. М.: Мир, 1975, с.542) и построения резонансной диаграммы (Скубачевский Г.С. Авиационные газотурбинные двигатели. Конструкция и расчет деталей. М.: Машиностроение, 1969, с.543), показывающей наличие резонансов собственных частот колебаний наружных оболочечных участков поверхностей лопатки с внешними источниками возбуждения колебаний. При этом избыточное давление выбирают так, что оно имеет величину, увеличивающую жесткость лопатки и приводящую к увеличению разности частот между частотой собственных колебаний оболочечных участков пера лопатки и частотой воздействия внешних источников возмущений.
Отстройка от резонансов по пластинчатым формам колебаний путем создания избыточного давления внутри оболочки лопатки обеспечивает меньшую массу лопатки за счет отказа установки для такой отстройки дополнительных конструктивных элементов жесткости (ребер жесткости и т.п.).
Отсутствие избыточного давления внутри оболочки может являться диагностическим признаком появления дефекта в лопатке в процессе эксплуатации. При наличии давления внутри профилированной оболочки лопатка будет иметь определенный набор частот колебаний, характерных для ее конструкции и величины внутреннего давления. Изменение частотного диапазона будет свидетельствовать о падении давления из-за появления сквозного дефекта в профиле, способного по мере его роста привести к разрушению лопатки в эксплуатации.
В качестве примера на фиг.2 представлена зависимость частот собственных колебаний полой лопатки компрессора авиационного газотурбинного двигателя по одной изгибной и двум пластинчатым формам колебаний в зависимости от величины избыточного давления внутри профиля.
На фиг.2 справа графически представлены виды этих форм колебаний пера полой лопатки, где цифрой 7 обозначена изгибная форма, а цифрами 8 и 9 - виды первой и второй пластинчатых форм колебаний соответственно.
Линия 10 показывает зависимость от избыточного давления в полости лопатки частоты собственных колебаний пера полой лопатки по изгибной форме, линия 11 и линия 12 соответственно - зависимость от избыточного давления в полости лопатки частоты собственных колебаний наружных оболочечных участков поверхностей пера полой лопатки по первой и второй пластинчатым формам колебаний соответственно.
Из фиг.2 следует, что при отсутствии сколько-нибудь значимого влияния избыточного давления на изгибную частоту колебаний возможно эффективное изменение собственной частоты колебаний оболочечных участков поверхностей пера при их колебаниях по пластинчатым формам за счет изменения величины давления.
На фиг.3 показана резонансная диаграмма полой лопатки вентилятора газотурбинного двигателя летательного аппарата, согласно изобретению, где МГ - частота вращения вентилятора, соответствующая малому газу, Кр - частота вращения вентилятора, соответствующая крейсерскому режиму, Мах - частота вращения вентилятора, соответствующая максимальному режиму.
Частоты собственных колебаний оболочечных участков аэродинамически профилированной оболочки пера полой лопатки вентилятора при отсутствии внутри избыточного давления по изгибной и первой и второй пластинчатым формам представлены на фиг.3 сплошными линиями и соответственно обозначены цифрами 13, 14, 15. Под действием внешнего источника возмущения с гармоникой внешнего возбуждения 16 возникает резонанс 17 на частоте вращения вентилятора вблизи крейсерского режима работы двигателя с частотой колебаний пера по первой пластинчатой форме и на частоте вращения вентилятора вблизи максимального режима работы с частотой колебаний пера по второй пластинчатой форме 18. Наличие резонансов на указанных режимах недопустимо из-за того, что длительная работа на них может привести к усталостному разрушению лопатки.
Увеличение жесткости оболочечных участков лопатки путем создания избыточного давления газообразной среды внутри оболочки лопатки 0,6 кг/см поднимает собственные частоты колебаний пера лопатки по каждой из представленных на чертеже пластинчатых форм колебаний до значений собственных частот представленных на фиг.3 пунктирными линиями, обозначенными цифрами 19, 20.
В результате чего резонанс 17 с частотой колебаний пера по первой пластинчатой форме смещается от крейсерского режима на проходные режимы 21 работы двигателя, а резонанс 18 с частотой колебаний пера по второй пластинчатой форме вообще исключают из рабочего диапазона.
Эффекта увеличения жесткости оболочечных участков поверхностей пера и отстройки от резонансов можно было бы достичь при помощи постановки двух продольных ребер жесткости. Однако постановка двух ребер в каждой лопатке приведет к возрастанию массы всех лопаток в колесе (24 шт.) на 1,5 кг. Учитывая, что лопатки располагаются на периферии диска компрессора, масса диска, необходимая для удержания сил инерции, развиваемых дополнительным весом лопаток, возрастет на 6 кг.