ЛОПАТКА ИЗ КОМПОЗИТНОГО МАТЕРИАЛА, КОМПРЕССОР ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ, СОДЕРЖАЩИЙ ТАКУЮ ЛОПАТКУ, И ТУРБОРЕАКТИВНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
BLADE OF COMPOSITE MATERIAL, COMPRESSOR OF GAS TURBINE ENGINE COMPRISING SUCH BLADE AND TURBOJET ENGINE

Изобретение относится к области газотурбинных двигателей, в частности оно касается амортизации лопатки, выполненной из композитного материала, а конкретно амортизации лопаток вентилятора в турбореактивном двигателе.
Лопатки, в частности лопатки вентилятора, а также лопатки компрессора низкого давления из композитного материала с углеродными волокнами, выполняют разными способами. Согласно варианту изготовления готовят наслоение однонаправленных складок или заранее пропитанных тканых материалов, которые помещают в пресс-форму, по-разному направляя последовательные складки перед прессованием и полимеризацией в автоклаве. Согласно другому способу готовят тканые заготовки из высушенных волокон, которые соединяют путем сшивания, или только одну заготовку из нитей или волокон, соединенных путем тканья в трех измерениях, которую пропитывают путем нагнетания смолы в закрытую пресс-форму. Лопатку выполняют в виде единой детали, содержащей ножку с пером. Она содержит различные элементы защиты для усиления термомеханической прочности. В частности металлическую защиту крепят на передней кромке или по всему контуру пера, содержащего переднюю кромку, головку лопатки и заднюю кромку, например, в виде детали из титана, при помощи клея на всей поверхности передней кромки и на переднем участке наружных поверхностей стенки спинки и стенки корытца. Усиливают также наружную сторону стенки корытца путем нанесения защитной пленки, которая может быть выполнена из синтетического материала, например полиуретана, и непосредственно наклеена на промежуточную деталь.
Изобретение касается такого типа лопатки, содержащей, по меньшей мере, один защитный элемент вдоль передней кромки. Пример изготовления описан в патенте ЕР 1777063 на имя заявителя.
Флаттер является явлением, появляющимся в результате взаимодействия между аэродинамикой и упругими характеристиками лопатки, создающего нестабильные ситуации. Флаттер проявляется асинхронно. Различают дозвуковой флаттер и сверхзвуковой флаттер. Лопатка вентилятора в основном подвергается дозвуковому флаттеру.
Флаттер является трудно прогнозируемым явлением в силу сложности взаимосвязи между аэродинамической и механической реакцией. Кроме того, механическая амортизация лопатки пока еще мало изучена. Наконец, при современном проектировании лопаток, которые подвергаются все более высоким нагрузкам, флаттер является явлением, которое следует учитывать особенно внимательно.
Во время разработки лопатки вентилятора производят оценку допустимого предела флаттера, которая состоит в измерении, при определенном расходе потока, отклонения между линией флаттера и линией работы. Как правило, это значение устанавливают на основании известной (ближайшей) точки отсчета, добавляя к ней вычисленные отклонения между этой контрольной конфигурацией и новой конфигурацией. Критериями, применяемыми в настоящее время для дозвукового флаттера на модах 1F, 1Т и на моде нулевого диаметра, являются:
- Twist Bend coupling (TBC), характеризующий соотношение между смещениями моды кручения и моды изгиба. Чем больше параметр TBC, тем больше риск появления флаттера.
- Снижение скорости или критерий Штроугала, отвечающий следующей формуле: VR=W/C·f·pi, где VR - снижение скорости, W является относительной скоростью, С - хордой лопатки на данной высоте, f - частотой рассматриваемой моды лопатки, pi - отношение длины окружности к длине ее диаметра. Этот критерий характеризует взаимосвязь между частотой вибрации лопаток и частотой нестационарного потока вдоль этих лопаток.
На допустимый предел флаттера могут также влиять другие факторы, которые можно иногда использовать, когда явление проявляется во время испытаний: снижение удельного расхода, уменьшение числа лопаток или увеличение хорды, смазка ножек лопаток, детюнинг.
Задачей настоящего изобретения является улучшение гармонической реакции лопатки на описанные выше асинхронные аэродинамические возбуждения типа флаттера путем существенного повышения механической амортизации лопатки.
Задачей изобретения является также улучшение гармонической реакции лопатки на синхронные аэродинамические возбуждения, такие как:
искривления забора воздуха, создаваемые условиями полета с углами наклона, - набор высоты, снижение, боковой ветер;
гармонические возбуждения, создаваемые остаточным дисбалансом;
флуктуации давления в сторону входа, возбуждаемые на колесе вентилятора неподвижным колесом типа спрямляющего аппарата;
спутные струи или флуктуации давления в сторону входа, возбуждаемые подвижным колесом вентилятора на соседнем с ним колесе в случае архитектуры с двумя роторами противоположного вращения.
Заявитель несколько лет изучал технологию амортизации, начав с оценки ситуации на моноблочных лопаточных дисках. Этим термином обозначают узел диска и лопаток, изготовленный в виде единой детали. Принцип работы системы амортизации основан на рассеянии энергии за счет сдвига вязкоупругого материала, расположенного соответствующим образом. Нормальное поведение амортизирующей системы зависит от размеров материала и от хорошего сцепления между материалом и деталью двигателя.
Известен также патент US 6471484, в котором описана система амортизации вибраций в роторе газотурбинного двигателя, содержащем моноблочный лопаточный диск. Перья лопаток оборудованы полостью, выполненной в стороне спинки или корытца и содержащей слой амортизационного материала с нагрузочным слоем. Полость закрывают защитным листом. Во время работы амортизации вибраций способствуют напряжения сдвига, возникающие в амортизационном материале между лопаткой и нагрузочным слоем, с одной стороны, и в амортизационном материале, находящемся между нагрузочным слоем и защитным листом, с другой стороны.
Задачей изобретения является усовершенствование этого метода в применении к лопатке из композитного материала, содержащей средство защиты ее передней кромки.
Согласно изобретению лопатка из композитного материала, содержащая перо, выполненное из элементарных нитей или волокон, пропитанных термоотверждаемой смолой, с защитным элементом в области передней кромки пера, содержащим часть в виде жесткой пластинки, при этом упомянутую пластинку неподвижно соединяют с пером, отличается тем, что, по меньшей мере, частично между упомянутой жесткой частью и пером размещают, по меньшей мере, один слой вязкоупругого материала таким образом, чтобы вместе с защитным элементом сформировать средство амортизации вибраций на лопатке.
Вязкоупругий материал предпочтительно выбирают из следующих материалов: резина, силикон, эластомерный полимер для низких температур, присутствующих на вентиляторе, или эпоксидная смола.
Таким образом, изобретение основано на использовании вязкоупругого материала для лопатки, такой как лопатка вентилятора из тканого композитного материала типа RTM. Этот слой располагают между передней кромкой из титана и пером из тканого композита, частично или полностью заменяя слой клея, используемый в настоящее время.
Лопатке газотурбинного двигателя, такой как лопатка вентилятора из композитного материала RTM, придают механическую амортизационную функцию. Эта функция является также полезной в случае случайных перегрузок, таких как попадание птицы (или потеря лопатки), способствуя рассеянию энергии удара. В этом последнем случае можно говорить о двойной амортизационной функции: при появлении вибраций и попадании птицы.
Используя переднюю кромку, содержащую защитное покрытие, в частности из титана в качестве контрслоя для амортизирующей системы, избегают применения дополнительных деталей.
Таким образом, решение в соответствии с настоящим изобретением сочетает несколько преимуществ:
хорошее интегрирование композитной лопатки;
за счет использования передних кромок из металла в качестве контрслоя избегают лишних затрат по обеспечению этой амортизационной функции;
амортизационную функцию можно использовать как для случая попадания птицы, так и для случая флаттера.
Для разных размеров, положений и площадей амортизирующих зон используют соответствующие приводные рычаги.
Пространство, образованное между композитным материалом и передней кромкой, адаптируют к необходимой толщине вязкоупругого материала. Так, слой вязкоупругого материала может находиться, по меньшей мере, частично в полости, выполненной в композитном материале, или, по меньшей мере, частично в полости, выполненной в защитном элементе.
Функциями этого слоя вязкоупругого материала являются:
обеспечение механической амортизации при вибрационных реакциях лопатки, в частности в случае лопатки вентилятора для режима изгиба 1F и кручения 1Т;
выполнение роли амортизации, например, при попадании птиц, за счет поглощения части энергии удара и ограничения таким образом повреждения лопатки.
Таким образом, в зависимости от предусматриваемой степени амортизации слой вязкоупругого материала выполняют под пластинкой на части ее поверхности, в частности слой вязкоупругого материала располагают в зоне, соответствующей зоне максимальной деформации для определенной моды вибрации лопатки. В случае необходимости слой вязкоупругого материала располагают на передней кромке пера, и он может закрывать всю переднюю кромку.
Амортизирующий материал может быть однослойным или многослойным в зависимости от окружающей среды, от используемых материалов и от характеристик требуемой амортизации.
Согласно частному варианту выполнения защитный элемент передней кромки имеет форму “V”, содержащую сплошную центральную часть и две пластинки по обе стороны. Сплошная часть защитного элемента закрывает переднюю кромку, а пластинки частично закрывают две стороны спинки и корытца передней кромки.
Предпочтительно, чтобы защитный элемент передней кромки был выполнен из металлической фольги, в частности из титана.
Согласно варианту выполнения между упомянутой пластинкой и пером устанавливают дополнительную жесткую пластину с двумя слоями вязкоупругого материала по обе стороны от пластины. Слои вязкоупругого материала по обе стороны от пластины могут отличаться друг от друга.
Слой вязкоупругого материала, например, неподвижно соединяют с пластинкой и/или пером за счет горячего приклеивания пленки вязкоупругого материала, например вулканизируемого эластомерного материала, или слой вязкоупругого материала неподвижно соединяют с пластинкой и/или пером при помощи адгезивного материала, причем предпочтительно этот последний материал имеет жесткость, превышающую жесткость вязкоупругого материала.
Изобретение находит свое применение для компрессоров газотурбинного двигателя и предпочтительно для вентиляторов турбореактивного двигателя, в случае необходимости, без обтекателя, когда рабочая температура двигателя является совместимой с температурой вязкоупругого материала.
Далее следует более подробное описание изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи, в числе которых:
Фиг.1 изображает схематичный вид турбореактивного двигателя с передним вентилятором.
Фиг.2 - вид лопатки из композитного материала с защитным элементом передней кромки с показом зон, содержащих вязкоупругий амортизатор.
Фиг.3 - вид сверху области передней кромки лопатки, показанной на фиг.2.
Фиг.4 - вид в разрезе по IV-IV первого варианта размещения вязкоупругого материала.
Фиг.5 - вид другого варианта размещения слоя вязкоупругого материала.
Фиг.6 - еще один вариант размещения слоя вязкоупругого материала.
Фиг.7 - вид другого расположения средства амортизации.
На фиг.1 схематично показан пример газотурбинного двигателя, являющегося двухконтурным турбореактивным двигателем 1. Вентилятор 2, расположенный на входе, питает двигатель воздухом. Воздух, нагнетаемый вентилятором, делится на два концентричных потока F1 и F2. Вторичный поток F2 удаляется непосредственно в атмосферу и создает основную часть тяги. Первичный поток F1 направляется, проходя через несколько ступеней 3 сжатия, в камеру 4 сгорания, где он смешивается с топливом и сгорает. Горячие газы питают различные ступени 5 турбины, которые вращают вентилятор 2 и роторы 3 компрессора. После этого газы удаляются в атмосферу.
На фиг.2 и 3 показана лопатка 10 вентилятора, которая может быть использована на данном типе двигателя. Речь идет о лопатке, выполненной из композитного материала. Как правило, часть 10А из композитного материала лопатки состоит из волокон или нитей, связанных между собой термоотверждаемой смолой. Нити или волокна получают из углерода или другого материала, такого как стекло, кремнезем, карбид кремния, глинозем, арамид или ароматический полиамид. Переднюю кромку покрывают металлическим защитным средством 10В. В данном случае речь идет о титановой фольге, наклеиваемой слоем 30 на композитный материал вдоль передней кромки с пластинкой, образующей полку с каждой стороны: полку 10Bi на стенке корытца сзади передней кромки и полку 10Ве на стенке спинки сзади передней кромки. Обе полки соединены вдоль передней кромки более толстой частью 10В2. Такую лопатку выполняют, например, при помощи технологии, описанной в патенте ЕР 1777063 на имя заявителя.
Согласно этой технологии при помощи трехмерного тканья готовят заготовку из нитей. Тканую заготовку в виде единой детали затем обрезают по контуру при помощи трехмерного шаблона. Деталь помещают в пресс-форму, в которой деформируемая заготовка приобретает жесткость. Производят дополнительное прессование передней кромки таким образом, чтобы вдоль передней кромки можно было установить защитный элемент. Речь идет об элементе в виде продольной половины рукава с двумя полками, предназначенными для закрывания участка стенок спинки и корытца сзади передней кромки. Как указано в вышеупомянутом патенте, защитный элемент помещают в монтажное устройство, выполненное с возможностью раздвигания полок. Переднюю кромку защитного элемента с предварительно нанесенным клеем устанавливают между двумя полками, затем их отпускают.
Весь узел помещают в форму для литья под давлением, в которую нагнетают связующее, содержащее термоотверждаемую смолу, для пропитки всей заготовки. Наконец, форму нагревают.
Согласно изобретению между пером 10А и защитным элементом 10В размещают, по меньшей мере, один слой 20 вязкоупругого материала. Металлический защитный элемент 10В представляет собой жесткий контрслой для системы амортизации вибраций, которую он образует вместе со слоем вязкоупругого материала.
Вязкоупругость является свойством твердого тела или жидкости, которые при деформации ведут себя одновременно как вязкий материал и как упругий материал за счет одновременного рассеяния и накопления механической энергии.
Жесткий материал в системе амортизации вибраций является более жестким, чем вязкоупругий материал слоя. Иначе говоря, изотропные или анизотропные характеристики упругости материала контрслоя превышают изотропные или анизотропные характеристики вязкоупругого материала в требуемом термическом и частотном диапазоне работы. В качестве неограничительного примера можно указать, что материал контрслоя может быть металлическим или композитным, а материал вязкоупругого слоя может быть материалом типа резины, силикона, эластомерного полимера, эпоксидной смолы.
На фиг.2 показаны три разные амортизирующие средства 11, 12 и 13 в трех разных зонах, включающие, по меньшей мере, один слой 20 вязкоупругого материала под защитным элементом 10В передней кромки.
На фиг.4 в разрезе по линии IV-IV фиг.2 показано расположение вязкоупругого слоя 20 между фольгой защитного элемента 10В и композитным материалом пера 10А. Амортизирующее средство 11, 12 и 13 размещено в зонах, где предпочтительно амплитуда динамических деформаций является максимальной, в данном случае, в части пера, удаленной на расстоянии от ножки лопатки. Это средство может иметь разную форму, овальную или многоугольную, разные размеры и расположение в зависимости от требуемой амортизации.
Вязкоупругий материал крепят на пере путем горячего наклеивания или при помощи промежуточного слоя клея 31, соответственно, 32, как показано на фиг.6. В варианте нагрузочный слой, образованный фольгой, не сцепляется с вязкоупругим слоем; он просто находится в положении опоры и, кроме того, связан с композитным материалом пера.
Следует отметить, что в зонах за пределами амортизирующих средств толщина вязкоупругого слоя компенсирована толщиной слоя клея 30, связывающего фольгу с композитным материалом.
Согласно непоказанному на чертежах варианту полость, образующую гнездо, выполняют путем механической обработки для размещения амортизатора в фольге, в композитном материале или в обоих одновременно.
На фиг.5 показан другой вариант выполнения амортизатора в соответствии с настоящим изобретением. В этом случае он содержит жесткую пластину 40, образующую дополнительный нагрузочный лист, например, в виде металлического листа. Слой 21 вязкоупругого материала располагают между фольгой защитного элемента 10В и металлическим листом 40. Слой 22 вязкоупругого материала, такой же, как и слой 21, или другой, размещают между нагрузочным листом 40 и поверхностью пера 10А. В варианте выполнения связь между слоями обеспечивают при помощи клея или горячего наклеивания в зависимости от выбранных материалов.
На фиг.7 показан вариант 14 расположения амортизирующей системы, при этом вязкоупругий слой расположен на удлиненной части вдоль передней кромки пера 10А.