УСТРОЙСТВО ДЕМПФИРОВАНИЯ КОЛЕБАНИЙ ШИРОКОХОРДНЫХ РАБОЧИХ ЛОПАТОК ВЕНТИЛЯТОРОВ С БОЛЬШОЙ КОНУСНОСТЬЮ ВТУЛКИ И ВЕНТИЛЯТОР ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ
VIBRATION DAMPING DEVICE OF WIDE-CHORD MOVING BLADES OF FANS WITH HIGH CONICITY OF SLEEVE, AND GAS TURBINE ENGINE FAN

Изобретение относится к демпфером для гашения вибраций рабочих лопаток авиационных газотурбинных двигателей, а именно к устройствам демпфирования колебаний широкохордных рабочих лопаток вентиляторов с большой конусностью (большим подъемом) втулки.
При создании современных авиационных газотурбинных двигателей актуальной задачей является повышение надежности предупреждением усталостных повреждений рабочих лопаток. Их возникновение в значительной мере определяется уровнем вибрационных напряжений в лопатках во всем диапазоне режимов эксплуатации двигателя. Важнейшим фактором, ограничивающим уровень вибраций, является демпфирующая способность лопаток, которая зависит от рассеивания энергии в обтекающем потоке газа (аэродемпфирование) и в материале, замковом соединении, а для ступеней с бандажными или антивибрационными полками - в узле контакта полок (конструкционное демпфирование). Вентиляторы современных газотурбинных двигателей выполняются с широкохордными титановыми рабочими лопатками без антивибрационных полок, часто имеют пустотелую конструкцию пера лопатки и значительную конусность втулки. В таких лопатках конструкционное демпфирование мало, а аэродинамическое резко падает на нерасчетных режимах. В этих условиях для предотвращения опасных резонансных колебаний лопаток становится важным вводить специальные демпфирующие устройства, обеспечивающие повышенное рассеяние энергии путем сухого трения между контактирующими поверхностями при их относительном смещении в процессе колебаний (Б.Ф.Шорр, Г.В.Мельникова, Н.Н.Серебряков «Разработка технологий демпфирования колебаний рабочих лопаток турбин ТВД», ТО №13496, 2009).
В практике авиационного газотурбостроения для демпфирования турбинных (реже компрессорных) лопаток применение получили встроенные фрикционные демпферы в виде вставок, которые устанавливаются под трактовыми полками соседних лопаток и прижимаются к ним под действием собственных центробежных сил (патент США №5205713, 27.04. 1993).
Однако в широкохордных лопатках (особенно при полых лопатках, изготовляемых по специальным технологиям) трактовые полки отсутствуют, что делает невозможным применение в них устройства демпфирования этого типа.
Для демпфирования колебаний рабочих лопаток известно использование устройств фрикционного типа, действие которых основано на рассеянии энергии колебаний за счет работы сил сухого (кулонова) трения, возникающих при контакте малоподвижного элемента демпфирующего устройства с участком тела колеблющейся лопатки, расположенным внутри ее ножки или в области замкового соединения. Для обеспечения контактного давления используются пружины или другие упругие элементы (патент США №5205714, 27.04. 1993).
Также известны устройства демпфирования колебаний, использующие для создания контактного давления центробежную силу инерции элементов конструкции от вращения рабочего колеса через упругие элементы (патент США №6283707, 04.09.2001)
В указанных технических решениях демпфирование осуществляется путем создания специальных устройств, помещаемых внутри пера или замка лопатки, создающих фрикционные силы между устройством и телом внутри пера или замка лопатки. Однако в современных вентиляторах с полыми широкохордными лопатками невозможно применение устройства демпфирования этого типа из-за отсутствия тела пера лопатки.
При использовании в качестве колеблющегося элемента демпфера внутренней поверхности лопатки точки контакта имеют незначительные относительные перемещения в плоскости поперечных колебаний лопатки, в силу чего такие устройства не позволяют обеспечить надежность демпфирования и, следовательно, предупреждения усталостных повреждений.
В основу изобретения положена задача повышения надежности демпфирования и предупреждения усталостных повреждений широкохордных лопаток с большой конусностью втулки, включая их полое выполнение, и повышение надежности работы вентилятора газотурбинного двигателя.
Техническим результатом является создание устройства демпфирования колебаний для широкохордных лопаток вентиляторов с большой конусностью втулки, применимого в том числе для полых лопаток, повышающее надежность за счет создания силы трения, демпфирующей колебания лопаток, при относительных перемещениях фрикционного элемента устройства и наружной поверхности торца ножки лопатки.
Предлагаемое изобретение основано на том, что при наиболее возбуждаемых формах колебаний лопатки с большой конусностью втулки возникают достаточно большие относительные перемещения в окружном направлении между торцом ножки лопатки у втулки со стороны выходной кромки и малоподвижными участками обода диска рабочего колеса вентилятора или бустера, непосредственно связанного с рабочим колесом вентилятора.
Поставленная задача решается тем, что устройство демпфирования колебаний широкохордных рабочих лопаток вентиляторов с большой конусностью втулки, расположенное между рабочим колесом и бустером подпорных ступеней вентилятора (демпфирующее устройство), содержит кольцеобразную металлическую пластину для наружного крепления к диску вентилятора и/или к бустеру и изогнутые профилированные элементы, выступающие соответственно каждой рабочей лопатке над кольцеобразной пластиной по ее внешнему диаметру, каждый из которых включает упругую часть и фрикционную часть, отогнутую от упругой и загнутую в направлении внутреннего диаметра кольцеобразной металлической пластины, выполненные с возможностью прижатия фрикционной части к ответной торцевой поверхности ножки лопатки центробежной силой вентилятора без совершения совместных колебаний для создания силы трения, демпфирующей колебания лопатки.
Упругая и фрикционная части профилированных элементов могут быть выполнены как одно целое.
Упругий элемент может быть отогнут от кольцеобразной металлической пластины на малый угол в направление бустера.
Кольцеобразная металлическая пластина, фрикционный и упругий элементы могут быть выполнены как одно целое.
Кольцеобразная металлическая пластина может быть выполнена в виде арочной конструкции, для чего имеет подъем в радиальном направлении и отгиб в сторону бустера на небольшой угол.
Кольцеобразная металлическая пластина снабжена отверстиями под болтовые соединения для крепления к диску вентилятора и/или бустеру.
Устройство демпфирования может быть выполнено с возможностью радиального хода относительно пера лопатки, для чего профилированные элементы могут быть снабжены приспособлениями для радиальных перемещений, выполненных, например, в виде полозьев.
Поставленная задача решается также тем, что вентилятор газотурбинного двигателя с широкохордными рабочими лопатками с большой конусностью втулки содержит указанное устройство демпфирования колебаний, жесткость крепления которого к диску вентилятора и/или к бустеру рассчитана на то, чтобы не допустить совместных колебаний устройства демпфирования и ножки лопатки.
На контактирующие поверхности торца ножки лопатки и/или фрикционные элементы устройства демпфирования колебаний может быть нанесено износостойкое покрытие.
Упругая часть устройства демпфирования может быть выполнена прямолинейной, свободный конец фрикционной части расположен на меньшем радиусе r, чем верхний радиус R ножки лопатки, торцевая поверхность ножки имеет коническую поверхность с небольшим углом конусности по отношению к плоскости вращения, а плоскость крепления смещена в сторону бустера.
В дальнейшем изобретение поясняется чертежами, где изображено:
Фиг.1 (а, б) - положение демпфирующего устройства, согласно изобретению, относительно лопатки и бустера рабочего колеса вентилятора с разрезом по ножке лопатки (1,а) и разрезом по профильной вставке (1,б);
Фиг.2 - сектор демпфирующего устройства (вид со стороны вентилятора);
Фиг.3 (а, б, в) - варианты крепления демпфирующего устройства к частям вентилятора: а) к бустеру, б) к профильной вставке, в) к профильной вставке и бустеру одновременно;
Фиг.4 - демпфирующее устройство (вариант выполнения) в виде фасонной пластины, в котором фрикционная часть выступа выполнена заодно целое с упругой частью;
Фиг.5 - демпфирующее устройство (вариант выполнения), в котором упругая часть плоская, фрикционная часть имеет отгиб в сторону вентилятора, а на торце ножки лопатки имеется участок конической поверхности;
Фиг.6 - сектор демпфирующего устройства арочного типа (вариант выполнения);
Фиг.7 - положение фрикционных поверхностей на торцевой поверхности ножки лопатки и фрикционной части демпфирующего устройства (показан сектор);
Фиг.8 - положение торцевой поверхности ножки лопатки относительно сектора демпфирующего устройства с возможностью радиального хода;
Фиг.9 - положение демпфирующего устройства относительно пера лопатки, вид в сборке;
Фиг.10 - положение демпфирующего устройства с креплением с возможностью радиального хода относительно торца лопатки, вид в сборке.
В дальнейшем изобретение поясняется на примере вентилятора газотурбинного двигателя, содержащего широкохордные лопатки вентилятора с большой конусностью втулки.
Рабочее колесо 19 вентилятора состоит из рабочих лопаток, диска и межлопаточных вставок. На фиг.1,а и 1,б показаны рабочее колесо 19 вентилятора и бустер 7, которые соединены между собой цапфой 10. Показана также одна из рабочих лопаток 1, межлопаточная вставка 22 (фиг.1,б), расположенная между ножками соседних лопаток, и часть обода диска 6. Рабочая лопатка имеет профильную часть 2, ножку 4 и хвостовик 5. Проточная часть ограничена нижним контуром 3 на рабочем колесе, образованным внешней поверхностью межлопаточной вставки 22 и бустера 7. Бустер 7 содержит лопатки подпорных ступеней 8.
Устройство 11 демпфирования колебаний широкохордных рабочих лопаток вентиляторов с большой конусностью втулки, расположенное между рабочим колесом и бустером подпорных ступеней вентилятора (устройство 11 демпфирования), согласно изобретению расположено между рабочим колесом вентилятора 19 и бустером 7 и включает в себя кольцеобразную металлическую пластину 16 и профилированные изогнутые элементы (выступы), содержащие упругую часть 15 и фрикционную часть 12.
Пластина 16 крепится к ободной части диска рабочего колеса вентилятора 19 со стороны выхода из ступени или к примыкающей к рабочему колесу части бустера 7 или одновременно к обеим частям на участках между соседними рабочими лопатками (фиг.3 (а, б, в), соответственно) болтовыми соединениями 17. Пластина 16, как будет показано далее, может иметь различные конструктивные формы исполнения.
Профилированные элементы выступают над пластиной 16 по ее внешнему диаметру соответственно каждой рабочей лопатке 1 и число их равно числу лопаток вентилятора.
Упругая 15 и фрикционная 12 части могут иметь различные варианты конструктивного выполнения, как будет показано ниже.
Упругая часть 15 выступа может быть отогнута от плоскости кольцеобразной пластины 16 в сторону бустера 7 или быть прямолинейной.
Фрикционная часть 12 отогнута в противоположную по отношению к упругой части сторону, имеет плоскую или криволинейную поверхность.
На фиг.2 представлен вид на сектор демпфирующего устройства 11 со стороны вентилятора. На кольцеобразной пластине 16 расположены отверстия 18, через которые осуществляется крепление демпфирующего устройства 11 к вентилятору.
На фиг.3 представлены варианты крепления демпфирующего устройства 11: а) к бустеру 7, б) к межлопаточной вставке 22, в) к межлопаточной вставке 22 и бустеру 7 одновременно. Крепление демпфирующего устройства к указанным деталям вентилятора осуществляется через отверстия 18 с помощью болтового соединения 17.
Фиг.4 представляет демпфирующее устройство 11, в котором фрикционная часть выступа 12 выполнена заодно целое с упругой частью 15.
Фиг.5 представляет демпфирующее устройство 11, в котором фрикционная часть выступа 12 выполнена заодно целое с упругой частью 15, при этом упругая часть 15 прямолинейна.
В таком случае выполнения упругой части для прижатия под действием центробежных сил плоскость крепления должна быть смещена в сторону бустера 7, а свободный конец фрикционной части 12 отогнут в сторону рабочих лопаток 1 так, чтобы ее свободный конец был расположен на меньшем радиусе r, чем верхний радиус R ножки. Торцевая поверхность 9 ножки 4 должна быть доработана так, чтобы создать коническую поверхность с небольшим углом конусности по отношению к плоскости вращения.
На фиг.6 показана такая конструкция, в которой функцию упругой части выступа выполняет пластина 16, представляющая собой арочную конструкцию, для чего имеется подъем в радиальном направлении и отгиб от плоскости крепления в сторону бустера 7 на небольшой угол. Отогнутая часть пластины, на которой может быть размещена дополнительная масса, создает изгибающий момент. Фрикционная часть 12 может быть выполнена как заодно с кольцевой частью 16, так и соединена с ней механически. Изготовление и сборка рабочего колеса 19 вентилятора предусматривает осевое положение лопаток 2 на диске 6 в пределах производственных допусков. Равномерное прижатие фрикционной части 12 к торцевой поверхности 9 лопаток 2 должно обеспечиваться ужесточением допусков или с помощью специальных шайб, вводимых в болтовое соединение 17 кольцевой части с диском 6 и/или бустером 7.
На фиг.7 показано выполнение демпфирующего устройства 11 из отдельных секторов, число которых равно числу рабочих лопаток 1 рабочего колеса 19, с отверстиями 18 под болтовые соединения для крепления к диску вентилятора и/или бустеру. Сектора имеют профилированные элементы, как и устройство с полным кольцом.
Также на фиг.7 указаны положения поверхностей трения 13 и 14 на торцевой поверхности 9 ножки лопатки 4 и фрикционной части 12 сектора демпфирующего устройства 11 соответственно.
При колебаниях лопатки между поверхностью трения 14 фрикционной части 12 выступа и прилегающей к ней поверхностью трения 13 торцевой поверхности 9 ножки 4 рабочей лопатки вентилятора 1 возникает переменное относительное перемещение, образующее фрикционную пару и рассеивающее энергию при колебаниях лопатки.
На фиг.8 показана такая конструкция демпфирующего устройства 11, в которой обеспечивается возможность радиального хода устройства относительно торцевой поверхности 9 ножки лопатки, что гарантирует прижатие устройства к конической поверхности ножки лопатки независимо от износа.
Радиальный ход обеспечивается либо овалообразным выполнением отверстий 18, либо с помощью специального устройства в виде полозьев 20, крепящихся на пластине 16, при этом фиксация устройства 11 происходит с помощью криволинейной части 21 устройства 11, обеспечивающей пружинный зажим. Данная конструкция демпфирующего устройства 11 предполагает установку и регулировку относительно торцевой поверхности ножки лопатки каждого сектора индивидуально.
На фиг.9 показан общий вид демпфирующего устройства и крепление его соответственно лопатке к задней торцевой поверхности межлопаточных выступов диска 6 вентилятора, а на фиг.10 показаны общий вид и крепление демпфирующего устройства 11 с возможностью радиального хода. На обоих рисунках изображение дано в одинаковом масштабе с лопаткой.
Для повышения долговечности устройства во всех случаях конструкторского исполнения на поверхность трения 13 торцевой поверхности 9 и поверхность трения 14 фрикционной части 12 могут быть нанесены износостойкие покрытия.
Жесткость крепления устройства демпфирования к диску вентилятора и/или к бустеру рассчитана на то, чтобы не допустить совместных колебаний устройства демпфирования и ножки лопатки.
Работа устройства демпфирования колебаний рабочих лопаток вентилятора, согласно изобретению, происходит следующим образом:
При сборке демпфирующее устройство 11 располагают относительно торцевых поверхностей ножек 9 рабочих лопаток 1 вентилятора 19 с малым начальным зазором. Начальный зазор выбирают для конкретной конструкции рабочего колеса вентилятора исходя из соображений создания в процессе работы контактного усилия, обеспечивающего необходимую силу трения. При этом учитываются также возможные отступления торцевых поверхностей ножек отдельных лопаток от номинального положения.
При вращении рабочего колеса под действием центробежной силы конец упругой части 15 устройства 11 вместе со связанной с ним фрикционной частью 12 получает перемещение в направлении вентилятора, выбирает начальный зазор и прижимает фрикционную часть 12 к торцевой поверхности 9 ножки 4 лопатки. При этом вне резонансных режимов колебаний не происходит и между поверхностью трения 14 фрикционной части 12 и поверхностью трения 13 торцевой поверхности 9 осуществляется статический контакт. В конструкции арочного типа зазор под действием центробежных сил выбирается благодаря упругой деформации пластины 16.
Собственные центробежные силы выступа создают при вращении изгибающий момент, который прижимает фрикционную часть 12 к торцевой поверхности 9, расположенной против выступа ножки 4 лопатки 1 со стороны выходной кромки.
В случае возникновения колебаний лопатки возникают переменные смещения поверхности трения 13 торцевой поверхности 9 ножки лопатки 4 относительно поверхности трения 14 фрикционной части 12 демпфирующего устройства 11. Высокая жесткость всех частей устройства 11 в окружном направлении не позволяет фрикционной части 12 совершать совместные колебания с торцевой поверхностью 9 ножки лопатки 4 при ее колебаниях, обеспечивая их относительные перемещения. Возникающая при контакте сила сухого трения совершает работу, направленную на рассеяние энергии колебаний. Внешняя поверхность загнутой части фрикционного элемента 12 прилегает к ответной торцевой поверхности ножки лопатки и прижимается к ней центробежной силой вентилятора, создавая силу трения, демпфирующую колебания лопаток.
При остановке рабочего колеса вентилятора центробежная сила исчезает, зазор восстанавливается и демпфирующее устройство 11 благодаря силам упругости возвращается в исходное положение.
Устройство 11 может быть использовано в вентиляторах газотурбинного двигателя с широкохордными рабочими лопатками с большим подъемом втулки для защиты лопаток от повреждений из-за многоцикловой усталости.
Расположение устройства демпфирования вне рабочей лопатки не требует изменений конструкции и технологии изготовления самой лопатки, упрощает сборку и замену всего устройства при возникновении необходимости.