ПУСТОТЕЛАЯ ЛОПАТКА ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ
GAS TURBINE ENGINE HOLLOW BLADE

Изобретение относится к области машиностроения, в частности двигателестроения, а именно к пустотелым лопаткам газотурбинных двигателей (ГТД), и может быть использовано в любых лопатках, требующих малого веса и высокой прочности, преимущественно в компрессорных.
Известна пустотелая лопатка ГТД, содержащая перо, включающее входную и выходную кромки, соединенные двумя оболочками - спинки и корыта. Между оболочками расположены несущие элементы - ребра, которые выполнены из предварительно сформованных монослоев композиционного материала. Ребра расположены на расстоянии друг от друга в соответствии со схемой армирования и соединены с обеими оболочками (Патент RU 2296246, МПК F04D 29/38, заявл. 2005.11.10, опубл. 2007.03.27).
Такая пустотелая лопатка из композиционного материала обладает высокими механическими свойствами и легким весом за счет выполнения несущих элементов - ребер из композиционного материала. Конструкция такой лопатки может рассматриваться, в основном, в качестве конструкции лопатки вентилятора, то есть там, где объем оболочек невелик и эффект от применения композиционного материала очевиден.
При использовании таких лопаток в компрессоре ГТД для придания им требуемой прочности необходимо осуществить увеличение жесткости во внутренних сечениях за счет утолщения оболочек, утолщения самих внутренних ребер, сокращения расстояния между ними, что, в свою очередь, приведет к увеличению массы лопатки.
Также известна пустотелая лопатка газотурбинного двигателя, содержащая перо, включающее входную и выходную кромки, соединенные двумя оболочками спинки и корыта, на внутренней поверхности одной из которых выполнены ребра, соединенные со второй оболочкой (Патент CN 101418811 (А), Р04D 29/30, заявл 2008.09.03, опубл. 2009.04.29).
Обеим вышеописанным конструкциям лопаток также присущ общий недостаток, заключающийся в том, что все ребра в каждой из лопаток имеют одинаковую ширину, при этом остальные размеры ребер обусловлены только внутренней формой оболочек лопаток. В этом случае не учтено изменение площадей поперечных сечений ребер в зависимости от напряжений, возникающих в каждом сечении лопатки от воздействия центробежных сил, и, следовательно, не позволяет избежать резких изменений напряжений по высоте лопатки от торца до корня, что снижает прочность лопаток. Т.к. у корня лопатки напряжения значительно больше, чем у ее торца, то ширина ребер и соответственно площадь их поперечных сечений, а также толщина оболочек у корня должны обеспечить требуемую прочность лопатки. Однако выполнение ребер и оболочек с такими же размерами у торца лопатки приводит к увеличению ее веса, т.к. ребра и оболочки у торца лопатки испытывают значительно меньшие напряжения, чем у корня, и должны иметь соответственно меньшую площадь поперечного сечения. Т.о., отсутствие дифференцирования площади поперечного сечения по высоте лопатки из-за выполнения всех ребер одинаковой ширины или не обеспечивает прочность лопатки, или, если обеспечивает требуемую прочность лопатки, то увеличивает ее массу из-за неоправданно большой площади поперечного сечения ребер у торца лопатки.
Техническим результатом, на достижение которого направлено предлагаемое решение, является выполнения ребер и оболочек с дифференцированной площадью поперечного сечения в зависимости от распределения напряжений по высоте лопатки, что повышает ее прочностные характеристики и снижает массу.
Заявляемый технический результат достигается тем, что пустотелая лопатка газотурбинного двигателя, преимущественно компрессора, содержит перо, включающее входную и выходную кромки, соединенные двумя оболочками - спинки и корыта. Во внутренней полости лопатки выполнены ребра, соединенные с оболочками.
Новым в изобретении является то, что ребра расположены вдоль направления действия центробежной силы на перо лопатки, при этом ребра имеют поперечные сечения, изменяющиеся по высоте пера, площадь которых определяется из условия равенства напряжений во всех сечениях, возникающих в них от центробежной силы, действующей на лопатку.
Поперечные сечения оболочек также изменяются по высоте пера, при этом их площадь также определяется из условия равенства напряжений во всех сечениях, возникающих в оболочках от центробежной силы, действующей на лопатку.
На прилагаемых чертежах изображена предлагаемая лопатка.
Фиг.1 - общий вид.
Фиг.2 - ребро лопатки.
Фиг.3 - оболочка спинки лопатки.
Фиг.4 - оболочка корыта лопатки.
Пустотелая лопатка газотурбинного двигателя содержит перо (фиг.1), включающее входную 1 и выходную 2 кромки, соединенные оболочкой 3 спинки и оболочкой 4 корыта. Во внутренней полости лопатки расположены ребра 5, соединенные с оболочками 3 и 4. Ребра 5 расположены вдоль направления действия центробежной силы на перо лопатки.
Ребра 5 (фиг.2) имеют ширину a и глубину b, а оболочки 3 и 4 (фиг.3, 4) - толщину c b, d соответственно. Уровень напряжений в текущих поперечных сечениях ребер 5 и оболочек 3 и 4 лопатки зависит от главной силы - центробежной, действующей на лопатку, которая зависит от массы ребер 5 и оболочек 3 и 4. Максимальные напряжения в лопатке возникают в корневом сечении 6 ребер 5 и оболочек 3 и 4 (фиг.2, 3, 4), а ближе к торцу 7 напряжения уменьшаются.
При проектировании лопатки расчетным путем определяются центробежные силы, действующие в каждом заданном сечении ребер 5 и оболочек 3, 4 лопатки. Исходя из того, что центробежные силы уменьшаются по направлению к торцу 7 и равенства напряжений в каждом сечении ребер 5 и оболочек 3 и 4, определяются площади их поперечных сечений.
Площади поперечных сечений 6 ребер 5 уменьшаются по высоте пера за счет изменения ширины а. Поперечные сечения оболочек 3 спинки и оболочки 4 корыта также уменьшаются по высоте пера из условия равенства напряжений, возникающих в них, от центробежной силы, действующей на лопатку, за счет изменения их толщины c и d соответственно.
Т.о. обеспечивается равенство напряжений в поперечных сечениях ребер 5, оболочек 3 и 4 спинки и корыта по высоте лопатки за счет изменения размеров a, b, c, d в соответствии с действующей в этих сечениях центробежной силой.
Количество ребер 5 в полости лопатки определяется расчетом или экспериментально, исходя из обеспечения статической и динамической прочности.
Выполнения ребер 5 и оболочек 3 и 4 с дифференцированной площадью поперечного сечения в зависимости от распределения напряжений по высоте лопатки повышает ее прочностные характеристики и снижает массу без изменения аэродинамического профиля лопатки, а только за счет изменения ее внутренних размеров.
Такая пустотелая лопатка может быть использована в вентиляторе или компрессоре ГТД.