Устройство для локализации оборвавшейся лопатки вентилятора турбореактивного двигателя
DEVICE FOR TURBOJET ENGINE BROKEN TURBINE BLADE LOCALIZATION

Изобретение относится к газотурбинным двигателям и может быть использовано в осевых вентиляторах, компрессорах и турбинах авиационных турбореактивных двигателей и наземных газотурбинных установок с целью защиты от пробиваемости при обрыве лопатки.
Обрыв лопаток лопаточных машин может быть связан с воздействием случайных эксплуатационных факторов. Уровень и характер повреждения лопаточной машины определяется размерами и количеством фрагментов, уровнем их кинетической энергии. Вторичные повреждения конструкции двигателя, при отсутствии их локализации в лопаточной машине, могут приводить к более тяжелым последствиям, чем непосредственно разрушение проточной части самой лопаточной машины. Поэтому способы защиты корпуса лопаточной машины от пробиваемости и устройства для их реализации постоянно развиваются и совершенствуются.
Известен способ защиты корпуса лопаточных машин от пробиваемости при обрыве лопатки и защищенный корпус для реализации этого способа (Патент РФ №2461719, опубликован 20.09.2012 г.).
Согласно этому способу оборвавшуюся лопатку разворачивают торможением в радиальном направлении и разрушают внутри корпуса последующими набегающими лопатками на фрагменты с пофрагментарным рассеиванием кинетической энергии оборванной лопатки и удерживают их внутри корпуса, при этом кинетическую энергию любого из оборвавшихся фрагментов корпус поглощает без пробиваемости. Корпус для реализации данного способа включает в себя надлопаточную обечайку, содержащую множество секций попарно объединенных друг с другом фланцево-болтовым соединением и снабженных центрирующим буртом в зоне болтового соединения. Любая из секций обечайки снабжена гофрами, фланцы ослаблены проточками, а центрирующий бурт смещен в зону не препятствия деформации фланца в случае обрыва лопатки, при этом гофры и проточки устроены так, что позволяют разрушить оборвавшуюся лопатку последующими набегающими лопатками и удерживать образовавшиеся фрагменты в обечайке. Количество и размер гофр, фланцевых проточек и число болтов определены соответствием энергии и времени их деформации и обрыва энергии и времени, требуемых для пробивания обечайки корпуса.
В связи с тем, что обрыв лопатки лопаточной машины, как правило, вызывается воздействием случайных эксплуатационных факторов (попадание на вход постороннего предмета, экстремальные метеоусловия, экстремальная неоднородность воздушного потока на входе и т.п.) размеры исходных оборвавшихся фрагментов лопатки, их кинетическая энергия и характер их контактного взаимодействия с корпусом имеют случайный характер. Это предопределяет назначение геометрических параметров корпуса: количество и размер гофр, фланцевых проточек и число болтов, обеспечивающих гарантированное удержание фрагмента оборвавшейся лопатки с максимально возможными размерами и кинетической энергией, что ведет к росту массы конструкции корпуса, неприемлемому для авиационного двигателя.
Наиболее близким предлагаемому устройству является устройство для локализации оборвавшейся лопатки вентилятора турбореактивного двигателя, состоящее из наружного силового непробиваемого и внутреннего пробиваемого соосных корпусов вентилятора. Кольцевая полость между ними заполнена неметаллическими композиционными материалами, контактирующими с оборвавшейся лопаткой и оказывающими сопротивление ее передвижению в окружном направлении (Патент РФ №2350765, опубл. 27.03.2009 г.).
В связи с недостаточной энергоемкостью неметаллических композиционных материалов, заполняющих кольцевую полость между наружным силовым непробиваемым и внутренним пробиваемым соосными корпусами вентилятора, для поглощения кинетической энергии оборвавшейся лопатки требуется значительное усиление наружного силового непробиваемого корпуса вентилятора с соответствующим увеличением его массы. Это является недостатком данного устройства.
Предлагаемое изобретение направлено на создание устройства для локализации оборвавшейся лопатки вентилятора турбореактивного двигателя без утяжеления и усложнения его конструкции.
Поставленная задача решается тем, что устройство для локализации оборвавшейся лопатки вентилятора турбореактивного двигателя состоит из наружного силового непробиваемого и внутреннего пробиваемого соосных корпусов вентилятора, соединенных между собой разъемным соединением, с кольцевой полостью между ними, расположенной над лопатками ротора вентилятора, в которую уложены эквидистантно ее поверхностям не менее чем три слоя полых металлических сфер, заполненных инертным газом.
Как показывают расчетно-аналитические исследования, подтверждающие их результаты экспериментов и анализ последствий эксплуатационных обрывов фрагментов лопаток, существует прямая зависимость степени вторичного повреждения и количества поврежденных лопаток от размера оборвавшегося фрагмента лопатки (См. Р.П. Придорожный, А.В. Шереметьев, А.П. Зиньковский, "Расчетное определение последствий обрыва фрагмента лопатки на повреждение рабочего колеса и корпуса газотурбинного двигателя", ISSN 1727-0219, Вестник двигателестроения №2/2009).
Как известно, при вращении ротора лопаточной машины на его лопатку воздействуют газодинамические усилия со стороны воздушного (газового) потока. В момент после обрыва фрагмент лопатки, движущийся с окружной скорость V, начинает ускоренное движение в радиальном направлении от оси вращения под действием центробежной силы инерции Fцб, величина которой определяется по формуле:
2
Fцб=m×ω×R, где
m - масса фрагмента лопатки,
ω - частота вращения ротора лопаточной машины в момент обрыва фрагмента его лопатки,
R - радиус расположения центра масс фрагмента лопатки.
При обрыве фрагмент лопатки пробивает внутренний пробиваемый корпус вентилятора и, потеряв часть своей кинетической энергии, входит под углом в кольцевую полость, где вступает во взаимодействие с расположенными в ней полыми металлическими сферами, заполненными инертным газом и имеющими высокий уровень упругопластических свойств. В результате этого взаимодействия изменяется траектория движения фрагмента лопатки относительно корпуса и максимально снижается уровень его кинетической энергии. Поглощение кинетической энергии фрагмента лопатки обеспечивается в процессе упругопластического деформирования и разрушения полых металлических сфер.
Ед=Еу+Еп+Ер, где
Ед - энергия деформации полых металлических сфер,
Еу - энергия упругой деформации,
Еп - энергия пластической деформации,
Ер - энергия разрушения.
При этом максимальный вклад в поглощение энергии обеспечивается пластической деформацией полых металлических сфер.
Расположение полых металлических сфер, заполненных инертным газом и уложенных в кольцевой полости эквидистантно ее поверхностям с фиксацией связующим материалом, например теплостойкой органосиликатной композицией позволяет обеспечить наиболее эффективное использование объема кольцевой полости и максимальное нагружение полых сфер для поглощения энергии фрагмента оборвавшейся лопатки, которое реализуется в условиях контакта между соседними сферами. Причем количество их слоев должно быть не менее трех, так как особенностью двух крайних слоев является частичный контакт с поверхностями кольцевой полости, а сферы, размещенные между крайними слоями, контактируют с окружающими их соседними сферами, вовлекая максимальное их число в процесс поглощения кинетической энергии фрагмента оборвавшейся лопатки, что позволяет при попадании в кольцевую полость предотвратить процесс его движения к наружному корпусу. При количестве слоев менее трех снижается их энергоемкость и требуется значительное усиление наружного силового непробиваемого корпуса вентилятора.
Таким образом, предлагаемое устройство позволяет обеспечить максимальное поглощение кинетической энергии фрагмента оторвавшейся лопатки и тем самым исключить необходимость усиления и, соответственно, утяжеления наружного корпуса для предотвращения его пробивания, а также упростить конструкцию.
Толщину стенок и диаметр сфер выбирают из условия локализации оборвавшейся лопатки или ее фрагмента в кольцевой полости. При выборе металла полых сфер необходимо руководствоваться ожидаемой температурой конструкции при штатной ее работе, т.е. без обрыва лопатки. Для обеспечения минимальной массы полых сфер необходимо выбирать металлы с минимальной плотностью и высоким уровнем условного предела текучести . Для повышения уровня упругопластических свойств полых сфер их внутреннюю полость заполняют инертным газом под повышенным давлением.
На чертежах показаны: фиг. 1 - продольный разрез устройства для локализации оборвавшейся лопатки вентилятора турбореактивного; фиг. 2 - расположение полых сфер в кольцевой полости.
Вентилятор имеет ротор 1 с лопатками 2, наружный силовой непробиваемый корпус 3 и соосный ему внутренний пробиваемый корпус 4. Корпусы 3 и 4 соединены между собой разъемным соединением (не показано). Внутренняя часть корпуса 4 имеет абразивно-изнашиваемое покрытие 5 на поверхности, обращенной к торцам лопаток 2. Между поверхностью внутренней части корпуса 4 и торцем лопатки 2 ротора 1 выдерживается зазор Р. Наружный силовой непробиваемый корпус 3 и соосный ему внутренний пробиваемый корпус 4 образуют кольцевую полость 6 над лопатками 2 ротора 1. В кольцевой полости уложены полые металлические сферы 7 с наружным диаметром Д и толщиной стенки Б со связующим материалом 8 между ними в виде теплостойкой органосиликатной композиции типа ОС- 82-05 по ТУ 84-725-78, уложенными упорядоченными слоями эквидистантно поверхностям кольцевой полости 6, с количеством слоев не менее трех. Внутренняя полость 9 металлических сфер 7 заполнена инертным газом под повышенным давлением.
При обрыве фрагмент лопатки 2 ротора 1 пробивает внутренний пробиваемый корпус 4 с покрытием 5 и, потеряв часть своей кинетической энергии, входит под углом в кольцевую полость 6, образованную корпусами 3 и 4. Затем он вступает во взаимодействие с расположенными в ней слоями полых металлических сфер 7 зафиксированных связующим материалом 8. Изменение траектории движения и поглощение кинетической энергии фрагмента лопатки 2 обеспечивается в процессе упругопластического деформирования и разрушения полых металлических сфер 7. Инертный газ в их внутренних полостях 9 на стадии деформирования поглощает часть энергии, а на стадии их разрушения - выделяет ее с воздействием на фрагмент лопатки с изменением его траектории. В результате обеспечивается локализация оборвавшейся лопатки вентилятора турбореактивного двигателя в кольцевой полости, образованной наружным силовым непробиваемым и внутренним пробиваемым соосными корпусами вентилятора.