Композитная лопатка компрессора
COMPOSITE COMPRESSOR BLADE

Изобретение относится в основном к турбореактивным и газотурбинным двигателям и предназначено для начальных ступеней компрессора, в основном - осевого, но может быть применено и для центробежного компрессора.
Известны подобные лопатки, например, пат. №№2517005 и 2516829. В первом патенте композитная лопатка представляет собой пропитанные связующим ленты армирующего материала, обернутые вокруг стержня, за который лопатка крепится к диску венца. Во втором патенте (прототип) композитная лопатка или воздушный винт состоят из жгутов армирующего материала, пропитанных связующим веществом и обернутых вокруг крепежных втулок. Указанные элементы представляют собой силовой каркас лопаток, на который наносится профилированный поверхностный слой связующего с армирующей тканью, или связующего с рубленым волокном.
Недостаток первого изобретения заключается в том, что лопатки в месте соприкосновения с диском подвергаются большим нагрузкам, и могут начать местно разрушаться. А недостатком второго изобретения применительно к лопаткам компрессоров является то, что, будучи закрепленными на диске, они за счет переходных режимов, за счет маневров самолета и от аэродинамических завихрений могут проворачиваться на крепежном болте, что может привести к износу втулки и болта в месте контакта.
Задача и технический результат изобретения - устранение обоих вышеописанных вариантов износа.
Первое отличие данной лопатки от прототипа в том, что вместо жгутов армирующего материала используются ленты.
Для этого, как и аналоги, композитная лопатка имеет втулку, на которой закреплены ленты армирующего материала, пропитанные связующим веществом, но внутри втулки имеет вкладыш из антифрикционного материала, например, из фторопласта или из медно-графитового материала.
Учитывая свойство хладотекучести фторопласта, заготовки из него при изготовлении следует армировать арамидными высокопрочными термостойкими волокнами, например рублеными вектраном, спектрой, зайлоном и т.п., или же рубленым стекловолокном или рубленым углеродным волокном.
Для устранения местного износа в месте контакта лопатки с диском в месте этого контакта к диску или к лопатке приклеены или привулканизированы две накладки из эластичного материала, например, из термостойкой резины (400 град. С), причем эластичные накладки имеют утолщения в части, лежащей ближе к оси вращения диска (эти утолщения не дадут накладкам оторваться под действием центробежной силы при вращении диска), или же место соприкосновения накладки и диска имеет гребенчатую форму (с той же целью).
Для повышения точности сопряжения эластичной накладки с пазом для нее в диске компрессора, предпочтительнее приклеивать или привулканизировать накладки к диску, а не к лопатке.
Для предотвращения флаттерных автоколебаний лопатки аэродинамический фокус ее профиля в любом ее поперечном сечении должен находиться позади той точки поперечного сечения лопатки, при приложении поперечной нагрузки к которой лопатка линейно без закручивания деформируется как балка, то есть - лопатка равновелико деформируется во всех точках своего сечения. Направление «позади» при этом понимается относительно движения лопатки в окружающем воздухе. Назовем такую точку «точкой эквивалентной жесткости».
На прилагаемом эскизе показана лопатка. Лопатка состоит из лент 1 армирующего материала, например из вектрана, пропитанных связующим веществом, например термостойкой эпоксидной смолой, и обернутых вокруг втулки 2, внутри которой имеется антифрикционный вкладыш 3, например из медно-графитового материала. Лопатка с помощью болта (не показан на чертеже), вставляемого в антифрикционный вкладыш, крепится к диску 4. В местах контакта лопатки с диском (справа и слева на чертеже) в диске имеются вырезы показанной формы, в которые завулканизированы эластичные накладки 5 из термостойкой резины.
Работают лопатки так: после закрепления болтом, который воспринимает центробежные и изгибающие усилия, лопатки своими боками опираются на эластичные накладки 5, которые равномерно распределяют рабочие нагрузки по поверхностям лопатки, а также хорошо демпфируют аэродинамические вибрационные нагрузки, возникающие от обтекания лопаток скоростным потоком воздуха.
Следует отметить одну технологическую особенность - ленты армирующего материала могут использоваться в виде готовых лент, а могут формироваться методом трехмерного плетения с образованием формы лопатки.
Ленты на некотором расстоянии (примерно 1-3 диаметра втулки от оси втулки) могут быть скреплены между собой путем прошивки на соответствующей размеру прошиваемого материала швейной машине.