КОРПУС ВЕНТИЛЯТОРА АВИАЦИОННОГО ДВИГАТЕЛЯ

Полезная модель относится к области авиационного машиностроения и может быть использована при проектировании, изготовлении и эксплуатации газотурбинных авиационных двигателей.
В газотурбинном авиационном двигателе корпус вентилятора выполняет роль пожарной перегородки и к нему предъявляются такие требования, как огненепроницаемость, невозможность проникновения через пожарную перегородку опасного количества воздуха, воспламеняющейся жидкости или пламени, коррозионная стойкость.
Как правило, корпус вентилятора состоит из относительно тонкой металлической оболочки, акустических и прирабатываемых панелей, а также корпус вентилятора может содержать экранирующую структуру, образованную волокнистыми слоями. Для обеспечения пожаростойкости корпуса вентилятора в существующих конструкциях выполняют щелевые каналы между корпусом вентилятора и звукопоглощающими панелями (ЗПК), а также используют специальные теплостойкие покрытия.
Известна конструкция корпуса вентилятора (патент ЕР 1674244, МПК В29С 70/46, опубл. 28.06.2006), в которой предлагается корпус вентилятора изготавливать постоянной толщины из композиционного материала путем изготовления волокнистой заготовки, которая для дальнейшего формования и получения необходимой геометрии пропитывается связующим, при этом заготовку получают путем 3D - плетения.
Также известна конструкция корпуса вентилятора (патент ЕР 1674671, МПК F01D 25/24, опубл. 28.06.2006), в которой предполагается изготовление корпуса вентилятора из композиционного материала переменной толщины. В данной конструкции волокнистые слои накладываются друг на друга и представляют собой выровненные по окружности оплетки. Также добавлены и другие слои, состоящие из намотанных по спирали сплетенных волокон. Волокнистые слои соединены друг с другом при помощи термореактивной смолы.
К недостаткам данных решений можно отнести следующее: комбинированные конструкции из композиционных материалов в сочетании с металлической оболочкой имеют большую массу; полностью композитные корпуса имеют низкие противопожарные показатели и трудности с выполнением мест под крепежи композит-металл, вследствие того, что композит и металл имеют разные коэффициенты линейного расширения. Также наличие щелевого канала, по которому течет охлаждающий воздух между корпусом вентилятора и звукопоглощающими панелями неэффективно, вследствие того, что перепад давления на входе и на выходе панели ЗПК незначителен и, тем самым, охлаждающий эффект минимален.
Наиболее близкой конструкцией к данному техническому решению является конструкция корпуса вентилятора авиационного двигателя («Авиация, понятная всем». О двигателе ПС-90А, его применении и развитии: http://avia-simply.ru/dvigatel-ps-90a/ (дата обращения: 19.07.2019)), содержащего металлическую оболочку, на внутренней поверхности которой крепятся при помощи крепежных элементов звукопоглощающие панели и нанесено прирабатываемое покрытие, причем, прирабатываемое покрытие нанесено только на кольцевую область, расположенную над лопатками вентилятора, при этом на наружную поверхность металлической оболочки нанесено огнестойкое покрытие. Между корпусом и панелями звукопоглощающей конструкции имеется щелевой канал.
Недостатком данной конструкции является не технологичность нанесения теплостойких покрытий на корпус вентилятора, так как перед нанесением необходимо освободить корпус вентилятора от всех узлов и агрегатов, располагающихся непосредственно на нем, что влечет за собой существенные трудозатраты. Причем, процесс нанесения теплозащитного покрытия длителен, и возникают существенные трудности при восстановительном ремонте теплозащитного покрытия. Так же к недостаткам можно отнести наличие щелевых каналов, конструктивное проектирование которых не является оптимальным вариантом, так как не обеспечивает необходимого охлаждения вследствие малого перепада давлений на входе и выходе панели звукопоглощающей конструкции, кроме того, проектирование щелевого канала усложняет конструкцию корпуса вентилятора и увеличивает весовые характеристики, что является крайне нежелательным в области авиационного конструирования. При этом щелевой канал способствует перетеканию воздуха из области более высокого давления в область с низким давлением, что уменьшает термодинамический КПД компрессора в целом.
Техническим результатом, на достижение которого направлена полезная модель, является обеспечение пожаробезопасности корпуса вентилятора газотурбинного двигателя. Дополнительным техническим результатом является снижение массы корпуса вентилятора и двигателя в целом, повышение технологичности его изготовления и сборки, и увеличение термодинамического КПД компрессора в целом.
Технический результат достигается тем, что в конструкции корпуса вентилятора авиационного двигателя, содержащего металлическую оболочку, на внутренней поверхности которой крепятся при помощи крепежных элементов звукопоглощающие панели и нанесено прирабатываемое покрытие, причем, прирабатываемое покрытие нанесено только на кольцевую область, расположенную над лопатками вентилятора, при этом на наружную поверхность металлической оболочки нанесено огнестойкое покрытие, в отличие от известной звукопоглощающие панели крепятся к металлической оболочке без зазора, при этом выполнены они в виде сот.
На фиг. 1 представлен продольный разрез корпуса вентилятора авиационного двигателя, на фиг. 2 - схема распределения тепла очага пожара на сотовую панель звукопоглощающей конструкции, на фиг. 3 - вид образца после испытаний корпуса вентилятора содержащего алюминиевую оболочку, на фиг. 4 - вид образца после испытаний корпуса вентилятора содержащего алюминиевую оболочку со звукопоглощающими панелями.
Корпус вентилятора авиационного газотурбинного двигателя (фиг. 1) содержит металлическую оболочку вращения 1, на внутренней стороне которой при помощи крепежных элементов 2 крепятся звукопоглощающие сотовые панели 3. Также на внутренней поверхности металлической оболочки вращения на кольцевой области, расположенной над лопатками вентилятора, нанесено прирабатываемое покрытие 4, а на наружной поверхности металлической оболочки 1 нанесено огнестойкое покрытие 5. В предлагаемой конструкции корпуса вентилятора отсутствует щелевой канал, и звукопоглощающие сотовые панели 4 крепятся непосредственно к самому корпусу вентилятора 1, причем, звукопоглощающие сотовые панели выкладываются вдоль всей длины пожароопасной зоны. Фронт пламени, проходя через звукопоглощающие сотовые панели, дробится на мелкие очаги, способствуя тем самым интенсивной отдаче тепла и дальнейшему угасанию, обеспечивая пожаробезопасность корпуса вентилятора. Эффект относительного удержания пламени схематично показан на фиг. 2. Указанный эффект относительного удержания пламени звукопоглощающими сотовыми панелями (фиг. 2) объясняется тем, что фронт пламени, попадая на поверхность корпуса вентилятора 1 распределяется по поверхности, он имеет очаг 6, где значения температуры достигают максимального значения и зоны периферии, где наблюдается градиент температурного поля, который рассеивается по мере удаления от очага возгорания. В случае плотного прилегания звукопоглощающих сотовых панелей 3 непосредственно к корпусу вентилятора 1, наблюдается интенсивная теплоотдача от корпуса вентилятора на поверхность сот, где тепловой поток стремится к мгновенному распределению по всей поверхности сот звукопоглощающей панели 3, таким образом, происходит эффективная потеря тепла и, соответственно, отвод тепла из очага возгорания и зон периферии. Чем большую площадь поверхности и большую толщину имеют стенки ячейки сот, тем эффективнее будут происходить процессы теплопередачи и охлаждения корпуса вентилятора. Для каждого частного случая величину охлаждения можно варьировать путем изменения геометрии и толщины сот звукопоглощающих панелей ЗПК, не теряя при этом основного параметра звукопоглощающих панелей ЗПК - звукопоглощения.
Подтверждением технического результата могут служить примеры испытаний (фиг. 3, 4) алюминиевого образца корпуса вентилятора. Образец представляет собой пластину, к которой подводится пламя температурой 1100±80°С в течение 15 минут. Испытания проводились на алюминиевом образце (фиг. 3) и на алюминиевом образце с вплотную закрепленными панелями ЗПК (фиг. 4). Как видно по результатам испытаний, алюминиевая оболочка прогорела насквозь, и пламя вышло с обратной стороны, во втором случае, панель ЗПК способствовала удержанию пламени.
Таким образом, данная конструкция позволяет обеспечить пожаробезопасность корпуса вентилятора газотурбинного двигателя, в соответствии с нормами летной годности, а также уменьшить массу корпуса вентилятора и двигателя в целом, повысить технологичность его изготовления и сборки, вследствие того, что диаметр корпуса вентилятора можно уменьшить в пределах величины ранее выполняемого щелевого канала, и позволяет увеличить термодинамический КПД компрессора в целом, в результате того, что отсутствие щелевого зазора исключает перетекание воздуха из области более высокого давления в область с низким давлением.