УЗЕЛ КРЕПЛЕНИЯ ПОВОРОТНОЙ КОМПОЗИЦИОННОЙ ЛОПАТКИ К ДИСКУ ВЕНТИЛЯТОРА

Полезная модель относится к области лопаточных машин и, в частности, к конструкции композиционных лопаток осевых вентиляторов и компрессоров авиадвигателей. В настоящее время решение проблемы обеспечения требуемых параметров жесткости, прочности и массы рабочих лопаток в основном достигается использованием роторов в моноблоке с лопатками. Существенными недостатками таких конструкций являются высокая стоимость изготовления, низкий процент выхода готовой продукции, практически непреодолимые технологические трудности при изготовлении крупногабаритных изделий (лопаток вентиляторов современных двигателей), низкая ремонтопригодность и трудности с доводкой лопаток при появлении на лопатках в эксплуатации нерасчетных вынужденных высокочастотных колебаний или автоколебаний типа флаттера. Моноблочная конструкция ротора не позволяет выполнить лопатки поворотными для обеспечения требуемого КПД вентилятора во всем диапазоне его рабочих режимов.
Таким образом, известное направление разработок является неэкономичным. Поэтому создание конструкций отдельно выполненных рабочих лопаток, соединенных с дисками роторов нетрадиционными способами остается актуальным.
Комплексное решение проблемы обеспечения требуемых параметров жесткости, прочности и массы рабочих лопаток современных турбомашин (особенно лопаток вентиляторов) достигается использованием композиционных материалов и конструкцией узлов крепления лопаток к дискам.
Известна лопатка осевого компрессора (патент РФ №2210009, F04D 29/38, 20.12.2001). Лопатка содержит профилированную обшивку, внутри которой смонтированы несущие элементы в виде силовых стержней с комлями. Стержни могут быть выполнены с перемычками и с распорками, которые ответвляются от одного из стержней и присоединяются к соседним стержням. Комли силовых стержней охватываются профилированной обшивкой и образуют замкнутую конструкцию типа «ласточкин хвост». Однако замковое соединение с диском компрессора такого типа имеет значительную массу и нежелательно для поворотных лопаток.
Известна композиционная лопасть осевого вентилятора (патент РФ №2145004, F04D 29/38, 16.09.1998) для рабочих колес осевых вентиляторов. Перо лопасти вентилятора выполнено из композиционного материала в виде тонкостенной оболочки, образующей крыльевой профиль лопасти, переходную и комлевую часть лопасти. Комлевая часть представляет собой стержень круглого сечения и выполнена с возможностью непосредственного крепления к втулке рабочего колеса вентилятора. Так как комель имеет значительно меньшее поперечное сечение, чем площадь корневого сечения лопасти, а лопасть работает под воздействием центробежных и газовых сил, то невозможно размещение в комле всех усиливающих однонаправленных волокон, что снижает прочность соединения лопасти с комлем и ограничивает уровень воздействующих на комель нагрузок.
Наиболее близким аналогом, выбранным за прототип, является узел крепления поворотной композиционной лопатки к диску вентилятора (патент US №5240377, B63H 7/02, 31.08.1993). Лопатка содержит профилированное перо и хвостовик, сформированные из однонаправленных вдоль продольной оси лопатки слоев армирующих волокон материала, соединенных между собой связующим материалом. При этом хвостовик выполнен в виде гребенки проушин с отверстиями каплевидной формы. Причем на диске вентилятора расположена промежуточная ответная гребенка проушин.
Для обеспечения совмещения проушин промежуточной гребенки на диске с хвостовиком лопатки, в последнем выполнены прорези, формирующие гребенку, ответную промежуточной гребенке диска. При совмещении гребенок лопатки и диска в отверстия их проушин вставляется фиксирующий штифт.
Прорези, формирующие проушины гребенки лопатки, выполняются механической обработкой, что нарушает целостность усиливающих однонаправленных волокон. Это, в свою очередь, приводит к снижению прочности гребенки лопатки.
Поскольку лопасть всегда работает в поле центробежных и газовых сил, то самой нагруженной областью ее является корневая часть, поэтому нарушение целостности усиливающих однонаправленных волокон крайне не желательно.
В основу заявляемой полезной модели положено решение следующих задач:
- обеспечение возможности поворота лопатки вокруг ее продольной оси;
- повышение прочности конструкции лопатки и узла крепления лопатки к диску вентилятора.
Поставленные задачи решаются тем, что поворотная композиционная лопатка содержит профилированное перо и хвостовик, сформированные из однонаправленных вдоль продольной оси лопатки слоев армирующих волокон материала, соединенных между собой связующим материалом. Узел крепления лопатки к диску вентилятора выполнен в виде гребенки проушин хвостовика с отверстиями каплевидной формы. Причем на диске вентилятора расположена промежуточная ответная гребенка проушин, скрепленная с гребенкой проушин хвостовика лопатки штифтом.
В соответствии с полезной моделью на промежуточной гребенке противоположно проушинам сформирован цилиндрический стержень, установленный на диске вентилятора по радиусу снаружи подвижно, а отверстия проушин промежуточной гребенки выполнены продольными с удлиненными сторонами параллельными оси цилиндрического стержня и скруглены по радиусу на наиболее удаленных сторонах, штифт сделан с равномерно чередующимися угловыми выступами по образующей наружной цилиндрической поверхности с шагом, равным шагу проушин гребенки лопатки и расположен в последних.
Штифт изготавливается из композиционного материала с армированием его усиливающими однонаправленными волокнами в продольном направлении для обеспечения его высокой прочности на срез.
Штифт жестко устанавливается в крайних проушинах промежуточной гребенки. Конструкция крепления штифта может быть разнообразной. Например, штифт может включать буртик с одного торца и гнездо под развальцовку с другого торца. После сочленения гребенки хвостовика с промежуточной гребенкой узел гребенок соединяется штифтом. Штифт устанавливается в крайние проушины промежуточной гребенки с упором с одной стороны и развальцовкой с другой стороны (не показано).
Для конкретной лопаточной машины формы отверстий гребенки хвостовика, отверстий промежуточной гребенки и угловых выступов штифта определяются аэродинамическим и прочностным расчетами лопатки и отрабатываются на моделях и стендах.
Существенные признаки заявленного технического решения позволяют получить следующий технический результат:
-
формирование на промежуточной гребенке противоположно проушинам цилиндрического стержня, установленного по радиусу подвижно снаружи на диске вентилятора обеспечивает возможность передачи крутящего момента через указанный цилиндрический стержень на лопатку, заставляя ее поворачиваться, преодолевая аэродинамическую силу сопротивления набегающего на лопатку потока воздуха;
- выполнение отверстий проушин промежуточной гребенки продольными с удлиненными сторонами параллельными оси цилиндрического стержня и скругленными по радиусу на наиболее удаленных сторонах позволяет размещать штифт в отверстиях проушин обеих гребенок, обеспечивая собираемость всей конструкции в целом;
- выполнение штифта крепления гребенок с равномерно чередующимися угловыми выступами по образующей наружной цилиндрической поверхности с шагом равным шагу проушин гребенки лопатки и расположение угловых выступов в последних обеспечивает механическую связь лопатки с диском через узел крепления с повышенной прочностью.
Таким образом, решены поставленные в полезной модели задачи:
- обеспечена возможность поворота лопатки вокруг ее продольной оси;
- повышена прочность конструкции лопатки и узла крепления лопатки к диску вентилятора.
Настоящая полезная модель поясняется подробным описанием конструкции и работы узла крепления поворотной композиционной лопатки к диску вентилятора со ссылками, представленными на фиг.1-3:
на фиг.1 изображены детали узла крепления поворотной композиционной лопатки к диску вентилятора;
на фиг.2 - узел крепления поворотной композиционной лопатки в сборе;
на фиг.3 - элемент узла крепления лопатки.
Узел крепления поворотной композиционной лопатки 1 к диску вентилятора (не показано), где лопатка 1 содержит профилированное перо 2 и хвостовик 3, сформированные из однонаправленных вдоль продольной оси лопатки 1 слоев армирующих волокон 4 материала, соединенных между собой связующим материалом 5. При этом хвостовик 3 выполнен в виде гребенки 6 проушин 7 с отверстиями 8 каплевидной формы. На диске вентилятора расположена промежуточная ответная гребенка 9 проушин 10, скрепленная с гребенкой 6 проушин 7 хвостовика 3 лопатки 1 штифтом 11. На промежуточной гребенке 9 противоположно проушинам 10 сформирован цилиндрический стержень 12, установленный на диске вентилятора по радиусу снаружи подвижно. Отверстия 13 проушин 10 промежуточной гребенки 9 выполнены продольными с удлиненными сторонами параллельными оси цилиндрического стержня 12 и скруглены по радиусу на наиболее удаленных сторонах. Штифт 11 сделан с равномерно чередующимися угловыми выступами 14 по образующей наружной цилиндрической поверхности с шагом, равным шагу проушин 7 гребенки 6 лопатки 1 и расположен в последних.
При работе лопаточной машины, например вентилятора осевого ТРД, на лопатку воздействуют центробежные и изгибающие газовые нагрузки, которые максимальны на взлетном режиме. Нагрузки воздействующие на лопатку через проушины 7 гребенки 6, штифт 11, проушины 10 гребенки 9 передаются на стержень 12 и далее на диск вентилятора (не показано). Поворот лопатки 1 относительно ее продольной оси осуществляется тягой от привода (не показано). Работоспособность лопатки и узла ее крепления к диску вентилятора при заданных нагрузках определяется прочностью проушин гребенки лопатки, проушин промежуточной гребенки и штифта.