УСТРОЙСТВО АМОРТИЗАЦИИ ВИБРАЦИЙ ДЛЯ КРЕПЛЕНИЙ ЛОПАТОК ГАЗОВЫХ ЛОПАТОЧНЫХ МАШИН, ГАЗОВАЯ ЛОПАТОЧНАЯ МАШИНА, ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ И ВЫСОКООБОРОТНЫЙ ВИНТОВОЙ ДВИГАТЕЛЬ
VIBRATION DAMPING DEVICE FOR ATTACHMENTS OF BLADES OF GAS BLADED MACHINES, GAS BLADED MACHINE, GAS-TURBINE ENGINE AND HIGH-SPEED PROPELLER ENGINE

Настоящее изобретение относится к области газовых лопаточных машин, в частности, газотурбинных двигателей, таких как турбореактивные двигатели, турбовинтовые двигатели или высокооборотные винтовые двигатели (известные также под названием “propfans”). Оно касается устройства амортизации вибраций для креплений лопаток этих двигателей.
Авиационные газотурбинные двигатели содержат множество лопаточных колес, то есть вращающихся дисков, на периферии которых закреплены подвижные лопатки. Эти лопаточные колеса являются деталями повышенной чувствительности, так как они должны по своим размерам отвечать требованиям высокой прочности при вращении и при аэродинамических нагрузках. Все эти аспекты предполагают, что данные конструкции подвергаются статическим нагрузкам и что, учитывая требования срока службы, амплитуды действующих на них вибраций должны оставаться низкими.
Поскольку проектирование и доводка газотурбинного двигателя требуют координации многих конструкторских усилий, процесс определения размерности является итеративным. Определяют размерность с точки зрения вибраций, чтобы избежать присутствия критических мод в рабочем диапазоне. В конце цикла проектирования всю конструкцию проверяют путем испытания на работающем двигателе, во время которого измеряют амплитуды вибраций. Иногда отмечают высокие уровни, появляющиеся либо за счет принудительных синхронных или несинхронных откликов, либо за счет нестабильности. Следовательно, проектирование следует перепроверять, что является длительным и дорогостоящим процессом.
Следовательно, в промышленном плане желательно предсказать как можно раньше, еще на этапе определения размеров, уровни отклика конструкций на вибрации, чтобы предпринять меры для внесения поправок как можно раньше в ходе проектирования. Среди этих задач очень важным аспектом для конструкторов является обеспечение механической амортизации.
Амортизация лопаток компрессоров является отдельной проблемой, к которой необходимо подходить с особой тщательностью, поскольку они являются исключительно чувствительными к вибрационным явлениям, особенно в случае их большой длины. Эта проблема встает особенно остро для лопаток первой ступени компрессора низкого давления, которая может быть ступенью турбовинтового двигателя с лопаточным колесом без обтекателя, ступенью двухконтурного турбореактивного двигателя, колесо или «вентилятор» которого имеет обтекатель, или колесом без обтекателя высокооборотного винтового двигателя.
Эта проблема является особенно острой в случае высокооборотных винтовых двигателей, так как, с одной стороны, их винты в два раза длиннее, чем современные лопатки вентилятора, и, следовательно, являются более чувствительными к явлениям трения, и, с другой стороны, наличие двух рядов винтов противоположного вращения приводит к большим воздействиям от принудительного возбуждения за счет действия струи, создаваемой одним винтом, на другой винт. Можно также встретить связь между вибрационными модами двух рядов винтов противоположного вращения через конструкцию, на которой они установлены, и эта связь может сыграть деструктивную роль для двигателя. Кроме того, в отличие от винтов, находящихся в обтекателе, высокооборотные винты чувствительны к так называемым нагрузкам 1P, которые возникают при наклоне двигателя, в частности, во время поворота самолета при взлете. Во время этих фаз лопасть высокооборотного винта имеет угол наклона, отличающийся от потока воздуха по угловому положению, и поэтому подвергается специфическому возбуждению, синхронному с режимом двигателя.
Крепление лопаток на диске компрессора классически обеспечивают при помощи узлов типа посадочного крепления, то есть при помощи открытых гнезд, в которые заходят утолщения, образующие ножки лопаток. Эти гнезда вырезают в диске, и они содержат удерживающие стенки, на которые опираются соответствующие стороны ножки лопатки.
Уже были предложены устройства для уменьшения вибраций лопаток, например, такие как устройство, описанное в патенте US 6102664, выданном на имя NASA, в котором наклеивают вязкоупругий материал на стороны ножки лопатки, которые входят в контакт с удерживающими стенками гнезд диска. Недостатком этой технологии является необходимость изменения способа изготовления лопаток вентиляторов или высокооборотных винтов, а также невозможность ее адаптации для монтажа существующих лопаток. Ее недостатком является также необходимость полной замены лопатки в случае поломки устройства амортизации, в отличие от конфигурации, в которой устройство амортизации выполняют отдельно от лопатки, как в представленном случае.
Другим известным способом является установка прокладки между поверхностью гнезда и поверхностью утолщения ножки лопатки. Такая прокладка, описанная в патенте US 5240375, зарегистрированном имя компании General Electric Company, выполнена в виде нескольких металлических слоев, собранных в виде сэндвича, со слоем аустенитной стали между двумя слоями фосфористой бронзы с низким коэффициентом трения. Однако она предназначена для предупреждения износа деталей, находящихся в контакте, и не имеет существенного влияния на лопатки, подвергающиеся вибрационным воздействиям.
В патентной заявке FR 2014873, поданной на имя заявителя, описана прокладка с жесткими слоями, которые чередуются со слоями из эластичного материала.
Задачей настоящего изобретения является улучшение амортизации вибраций лопаток авиационных двигателей, которые закреплены на соответствующем диске при помощи посадочных креплений.
В этой связи объектом настоящего изобретения является устройство амортизации для лопатки газовой лопаточной машины, содержащей перо лопатки и ножку лопатки, выполненную с возможностью захождения в гнездо диска, на котором выполнено лопаточное колесо, при этом упомянутое устройство выполнено с возможностью установки между упомянутой ножкой лопатки и удерживающей стенкой упомянутого гнезда на уровне контакта, появляющегося во время работы между ножкой лопатки и гнездом, при этом упомянутое устройство содержит, по меньшей мере, одну прокладку, выполненную путем соединения слоев из жестких материалов и из вязкоупругих материалов, при этом, по меньшей мере, один слой из вязкоупругого материала располагают между двумя слоями из жестких материалов, при этом прокладка содержит две части, каждая из которых образует боковую ветвь, выполненную с возможностью захождения вдоль одной из двух удерживающих стенок, при этом обе ветви соединены друг с другом, образуя единую деталь, при помощи третьей части, образующей дно прокладки из жесткого материала, отличающееся тем, что упомянутое дно прокладки располагают относительно боковых ветвей таким образом, чтобы после монтажа оно оказалось на переднем или заднем конце ножки лопатки.
Установка многослойной прокладки, содержащей, по меньшей мере, один слой из вязкоупругого материала и два слоя из жестких материалов позволяет, за счет обеспечения рассеяния энергии, улучшить амортизацию вибраций лопаток. Это позволяет сместить вибрационные моды лопаток к наиболее низким частотам и, таким образом, установить их ниже частот режима малого газа двигателя. Позиционирование части, образующей дно прокладки, спереди или сзади ножки лопатки позволяет обеспечить оптимальное расположение боковых ветвей при контакте с удерживающими стенками без помех, которые могли бы возникнуть при контакте между дном прокладки и дном гнезда или ножкой лопатки. Благодаря этому, не возникает помех для относительных перемещений слоев, образующих боковые стенки, и, таким образом, эти стенки полностью обеспечивают свою функцию амортизации.
Согласно предпочтительным вариантам выполнения:
- прокладку выполняют путем соединения нечетного числа слоев, превышающего 3, при этом слои из вязкоупругих материалов чередуются со слоями из жестких материалов, и наружные слои выполнены из жестких материалов;
- характеристики вязкоупругого материала меняются от одного слоя к другому;
- характеристики жесткого материала меняются от одного слоя к другому;
- дно прокладки образует единую деталь с одним из слоев из жестких материалов боковых ветвей;
- прокладку получают из плоской детали, содержащей три последовательных сегмента, отделенных друг от друга линиями сгибания, при этом сегмент, образующий дно прокладки, располагают между двумя сегментами, образующими боковые ветви.
Объектом настоящего изобретения является также газовая лопаточная машина, содержащая диск с выполненным на нем лопаточным колесом, лопатки которого вставляют в гнезда диска с промежуточной установкой описанного выше устройства амортизации вибраций.
Согласно предпочтительным вариантам выполнения:
- диск ступени вентилятора газотурбинного двигателя, содержащего вентилятор, оборудуют описанным выше устройством амортизации вибраций;
- диск, по меньшей мере, одной из ступеней, содержащих винты без обтекателя высокооборотного винтового двигателя, оборудуют описанным выше устройством амортизации вибраций.
Другие отличительные признаки и преимущества будут более очевидны из нижеследующего описания различных вариантов осуществления изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг. 1 изображает вид в разрезе диска компрессора, выполненного по технологии посадочных креплений.
Фиг. 2 - вид в изометрии гнезда в случае лопасти винта изменяемого шага.
Фиг. 3 - вид в разрезе известного устройства удержания лопатки в гнезде диска.
Фиг. 4 - вид в разрезе материалов прокладки согласно варианту осуществления изобретения, подвергающихся напряжению сжатия.
Фиг. 5 - вид в разрезе материалов прокладки согласно варианту осуществления изобретения, подвергающихся напряжению сдвига.
Фиг. 6 - вид в плоскости прокладки согласно варианту осуществления изобретения перед ее формованием сгибанием.
Фиг. 7 и 8 изображают, соответственно, вид спереди и вид в разрезе сверху прокладки согласно варианту осуществления изобретения после ее формования сгибанием.
Фиг. 9 изображает вид в разрезе устройства удержания лопатки в гнезде диска с прокладкой согласно варианту осуществления изобретения, установленной между гнездом и ножкой лопатки.
Фиг. 10 - вид в разрезе лопатки и ее ножки в положении в гнезде диска с прокладкой согласно варианту осуществления изобретения с показом передачи усилий и направления соответствующих перемещений.
На фиг. 1 показан диск 1 компрессора для газовой лопаточной машины, на периферии которого вырезаны гнезда 2, равномерно распределенные по всей его окружности. На фиг. 2 показано посадочное крепление для двигателя с винтом изменяющегося шага; гнездо 2 вырезано в цилиндрической детали 3, которая содержит на своем нижнем конце шкворень 4, удерживаемый диском 1 и устанавливаемый с возможностью свободного вращения. Гнездо 2 открыто в радиальном направлении наружу для захождения лопатки и содержит две удерживающие стенки 14, предназначенные для удержания лопатки во время работы двигателя. На фиг. 3 показана ножка 6 лопатки 5 в виде утолщения или ласточкина гнезда, которую вставляют в гнездо 2 сегмента диска 1.
На фиг. 4 показан слоистый материал, предназначенный для выполнения прокладки 7, выполненной с возможностью установки между ножкой 6 лопатки 5 компрессора и удерживающими стенками 14а и 14b гнезда 2 соответствующего диска 1. В представленном примере слоистый материал состоит из трех наложенных друг на друга и скрепленных между собой слоев, при этом наружные слои 8 и 10 выполнены из жестких материалов, например, из металлических материалов, а промежуточный слой 9 выполнен из вязкоупругого материала.
Вязкоупругость является свойством твердого тела или жидкости, которые при деформации проявляют одновременно вязкость и упругость за счет одновременных рассеяния и накапливания механической энергии.
Изотропные или анизотропные характеристики упругости жесткого материала выбирают таким образом, чтобы они превышали изотропные или анизотропные характеристики вязкоупругого материала в требуемом термическом и частотном диапазоне работы двигателя. В качестве не ограничительного примера можно указать, что материал жесткого слоя может быть металлическим или композитным и материал вязкоупругого слоя может быть эластомером, резиной, силиконом, полимером, стеклом или эпоксидной смолой.
Количество из трех слоев указано исключительно в качестве примера, и оно может быть больше, главное, чтобы жесткие слои и вязкоупругие слои чередовались друг с другом и чтобы наружные слои были выполнены из жестких материалов. Количество слоев определяют в зависимости, с одной стороны, от имеющегося пространства и, с другой стороны, от жесткости и вязкости, которые необходимо придать прокладке 7 для обеспечения требуемой амортизации. В зависимости от вариантов применения слои вязкоупругих материалов и слои жестких материалов могут иметь одинаковые размеры или разные размеры. Если прокладка содержит несколько слоев из вязкоупругих материалов, они могут иметь одинаковые механические характеристики или разные характеристики. Точно так же, все слои из жестких материалов могут иметь одинаковые механические характеристики или могут иметь разные характеристики.
Показанный на фиг. 4 слоистый материал подвергается напряжению сжатия, при котором не происходит существенной деформации. Что же касается слоистого материала, показанного на фиг. 5, то он подвергается напряжению сдвига с боковым смещением, при этом слой 9 из вязкоупругого материала деформируется, обеспечивая это смещение. Соответствующая деформация позволяет рассеять часть энергии, передаваемой при движении лопатки 5, и изменить таким образом ее вибрационные моды.
На фиг. 6 показан один из наружных слоев прокладки в соответствии с настоящим изобретением перед ее формованием, который выполнен в виде ленты из трех последовательных линейных сегментов, отделенных друг от друга двумя линиями 11 и 12 сгибания. На фиг. 7 и 8 показаны соответственно вид спереди и вид сверху в разрезе по направлению VIII прокладки в соответствии с настоящим изобретением после ее сгибания вдоль линий 11 и 12 сгибания. В представленном варианте выполнения только два наружных сегмента 7а и 7b прокладки имеют слоистую структуру, а третий сегмент 7с, находящийся между двумя линиями 11 и 12 сгибания, выполнен в виде простого слоя жесткого материала без наслоения. Из соображений упрощения выполнения третий сегмент 7с выполнен в продолжении наружного слоя 10, который предназначен для размещения внутри сгиба. В другом варианте выполнения третий сегмент 7с можно выполнить в продолжении наружного слоя 8, который предназначен для размещения снаружи сгиба, или в продолжении одного из промежуточных слоев из жесткого материала, если устройство содержит такие слои.
В этой конфигурации, если смотреть сверху, прокладка имеет по существу U-образную форму, хотя обе боковые ветви 7а и 7b U имеют наклон относительно плоскости симметрии U, в результате вращения вокруг прямой, параллельной этой плоскости. Основание U, образующее дно 7с прокладки, перпендикулярно к этой плоскости и предназначено для соединения обеих боковых ветвей прокладки 7. Оно предназначено для установки на лопатке 5 на переднем или заднем конце ее ножки 6, если рассматривать направление циркуляции воздушного потока в двигателе.
На фиг. 9 обе части прокладки 7 показаны на месте в гнезде 2 диска 1 компрессора. Обе ветви 7а и 7b вставлены между верхними стенками 13а и 13b ножки 6 лопатки 5 и удерживающими стенками 14а и 14b гнезда 2. За счет плоской формы слоев вязкоупругого материала и за счет того, что они удерживаются между плоскими слоями жесткого материала, они мало деформируются под действием сжатия, происходящего в результате передачи центробежных усилий от лопатки на удерживающие стенки 14а и 14b. Но, с другой стороны, они сохраняют способность к деформации в плоскости слоев.
Во время приведения во вращение лопаток прокладка 7, с одной стороны, сжимается по причине центробежного усилия, действующего на ножку 6 лопатки в результате вращения компрессора, и, с другой стороны, подвергается сдвигу, который зависит от угла, образованного удерживающими стенками 14а и 14b с радиальным направлением, проходящим через центр гнезда 2. Под действием этого напряжения сдвига вязкоупругий слой 9 деформируется, и жесткие слои 10 двух ветвей 7а и 7b, которые находятся в контакте с ножкой 6 лопатки, перемещаются радиально наружу. Как только режим двигателя достигает своего постоянного значения и вибрационное воздействие прекращается, прокладка 7 остается стационарной в этом деформированном положении.
На фиг. 10 показаны усилия, действующие на прокладку 7 во время изгибной вибрации лопатки 5, то есть во время ее перемещения вдоль оси вращения двигателя. Ножка 6 лопатки 5 увлекается движением вращения вокруг оси, коллинеарной с центральной осью гнезда 2, и на боковых ветвях 7а и 7b прокладки 7 возникают дополнительные усилия сдвига. В случае направления перемещения лопатки 5, показанного на фиг. 10, сдвиг правой ветви 7b увеличивается, тогда как сдвиг левой ветви 7а уменьшается. Затем изгибная вибрация стремится увлечь лопатку 5 в обратном направлении; при этом сдвиг ветви 7b уменьшается, а сдвиг ветви 7а увеличивается. Поочередное перемещение, которое этот изгиб сообщает вязкоупругому материалу, приводит к рассеянию энергии вибрации и обеспечивает требуемую амортизацию.
Следует отметить, что расположение дна 7с прокладки позволяет избежать помех с его стороны для перемещений боковых ветвей 7а и 7b и что в этих ветвях появились бы паразитные напряжения, если бы дно прокладки вошло в контакт с ножкой 6 лопатки или с дном гнезда 2.
Изобретение было описано для частного варианта выполнения, но, разумеется, оно охватывает все технические эквиваленты описанных средств, а также их комбинации, если они не выходят за рамки изобретения.