УСТРОЙСТВО ДЕМПФИРОВАНИЯ КОЛЕБАНИЙ РАБОЧИХ КОЛЕС БЛИСКОВОГО ТИПА ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ
VIBRATION DAMPING DEVICE OF BLISK IMPELLERS OF GAS TURBINE ENGINE

Изобретение относится к демпферам для гашения вибраций рабочих колес газотурбинных двигателей, а именно к устройствам демпфирования колебаний рабочих колес типа блиск (моноколес).
Конструкция газотурбинных двигателей предусматривает использование облегченных рабочих колес типа блиск, в которых лопатки выполнены с диском за одно целое. Использование блисков требует решения проблемы исключения опасных вибраций, сложность проблемы определяется отсутствием в рабочих колесах конструкционного демпфирования колебаний.
Известна конструкция, в которой для конструкционного демпфирования колебаний блисков используют дополнительное устройство - демпфер сухого трения, который представляет собой упругое разрезное кольцо, устанавливаемое с натягом на внутренней поверхности обода блиска. Возникающие в контакте кольцо-блиск силы трения при наличии взаимных перемещений на контактной поверхности совершают работу, которая обеспечивает демпфирующий эффект. (Laxalde D, Thouverez F, Lombard J-P. Vibration control for integrally bladed disks using friction ring dampers. ASME Turbo Expo 2007, Montreal, Canada. GT 2007-27087).
Основной недостаток такого устройства - узкий диапазон частот вращения рабочих колес, в котором обеспечивается демпфирование колебаний блиска: при высоких частотах вращения под действием на кольцо центробежных сил контактное давление в контакте кольцо-блиск возрастает до величины, при которой блокируются взаимные перемещения на контактной поверхности и потери энергии на трение исчезают.
Известны встроенные фрикционные демпферы в виде вставок, которые устанавливаются под трактовыми полками соседних лопаток и прижимаются к ним под действием собственных центробежных сил (патент US №5205713, МПК: F01D 5/26).
Недостатком этого известного устройства является невозможность его применения в рабочих колесах блискового типа, в которых отсутствуют трактовые полки.
Наиболее близкой к заявляемой является конструкция, в которой обод рабочего колеса снабжен пазом и демпфирующим элементом, установленным в пазу. Паз выполнен кольцевым и наклонен относительно вертикальной оси диска. Демпфирующий элемент выполнен в виде многослойного кольцевого пакета чередующихся между собой гладких и гофрированных пластин и установлен в пазу с натягом (патент RU №2022120, МПК: F01D 5/16).
Недостатком известной конструкции, принятой за прототип, является наличие концентратора напряжений в ободе рабочего колеса в виде паза для установки демпфера, что снижает прочность и надежность рабочего колеса.
Технический результат заявляемого изобретения заключается в повышении прочности и надежности рабочих колес блискового типа газотурбинного двигателя за счет исключения концентратора напряжений и повышении эффективности демпфирования колебаний.
Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве демпфирования колебаний рабочих колес блискового типа газотурбинного двигателя, СОГЛАСНО ИЗОБРЕТЕНИЮ демпфирующий элемент выполнен в виде упругой ленты, плотно свитой в спираль в несколько слоев, скрепленной радиальными штифтами и установленной с натягом на цилиндрической или конической поверхности обода блиска. Упругая лента имеет переменную по длине ширину и/или толщину. Поперечное сечение упругой ленты имеет желобчатую форму. Упругая лента изготовлена из материала с высоким внутренним трением. Материал с высоким внутренним трением представляет собой композиционный материал.
Выполнение демпфирующего элемента в виде упругой ленты, плотно свитой в спираль и установленной с натягом на цилиндрической или конической поверхности обода блиска, обеспечивает при колебаниях блиска потери энергии на трение между лентой и контактной поверхностью блиска, а также между слоями ленты; тем самым обеспечивается демпфирование колебаний, снижение их амплитуды, что повышает надежность рабочих колес газотурбинного двигателя.
Наличие скрепляющих упругую ленту штифтов препятствует ее расширению под действием возникающей при вращении блиска центробежной силы, ограничивает контактное давление между слоями ленты и тем самым расширяет диапазон эффективной работы демпфирующего устройства.
Выполнение упругой ленты переменной по длине ширины и толщины обеспечивает появление дополнительных собственных частот и форм колебаний ленты и тем самым расширяет диапазон эффективной работы демпфирующего устройства.
Желобчатый профиль поперечного сечения упругой ленты позволяет обеспечить более равномерное распределение контактного давления между слоями и по поверхности блиска и за счет этого повысить эффективность демпфирования.
Упругая лента, изготовленная из материала с высоким внутренним трением, представляющим собой композиционный материал, обеспечивает более высокую эффективность демпфирования за счет дополнительного механизма демпфирования - внутреннего трения в ленте.
На фиг. 1 изображено устройство демпфирования колебаний рабочих колес блискового типа.
На фиг. 2 - вид. А на фиг 1.
На фиг. 3 - сечение В-В на фиг 2 в увеличенном виде.
На фиг. 4 показана упругая лента переменной ширины и толщины.
На фиг. 5 показана упругая лента желобчатого профиля.
Устройство демпфирования колебаний рабочих колес блискового типа представляет собой упругую ленту 1, свитую в спираль в несколько слоев, скрепленную несколькими радиальными штифтами 2. Устройство установлено с натягом на цилиндрической или конической поверхности 3 обода блиска 4. Штифт 2 установлен в радиальном отверстии, проходящем через все слои упругой ленты 1 кроме последнего. Штифт 2 фиксируется от выпадения последним внутренним слоем упругой ленты, который, в сою очередь, фиксируется отгибными лепестками 5, выполненными на первом слое ленты 1. Упругая лента 1 выполнена переменного поперечного сечения (фиг. 4.). Лента 1 имеет прямоугольную (фиг. 4.) и желобчатую (фиг. 5.) форму сечения. Упругая лента 1 изготовлена из материала с высоким внутренним трением, представляющим собой композиционный материал.
При сборке упругую ленту 1 укладывают на контактной поверхности 3 блиска 4 с натягом и устанавливают штифты 2. Последним (внутренним) слоем ленты 1 фиксируют штифты 2 и отгибают лепестки 5, фиксируя ими внутренний слой ленты 1. Начальный натяг ленты 1 определяется из соображений создания в процессе работы контактного усилия, обеспечивающего необходимую силу трения при колебаниях блиска.
При вращении рабочего колеса под действием центробежной силы упругая лента 1 прижимается к контактной поверхности 3 блиска 4. При возникновении колебаний блиска имеют место взаимные перемещения ленты 1 и контактной поверхности 3 блиска 4, а также слоев ленты 1 между собой, сопровождающиеся появлением сил трения. Работа сил трения снижает энергию колебаний блиска, уменьшает их амплитуду; таким образом осуществляется демпфирование колебаний. Наличие штифтов 2 (см. фиг. 3) ограничивает растяжение ленты 1 под действием центробежных сил при вращении блиска и тем самым ограничивает величину контактного давления между лентой 1 и блиском 4 и между слоями ленты. Благодаря этому исключается эффект заклинивания, снижающий эффективность демпфирования при больших контактных давлениях и заключающийся в блокировании силами трения взаимного перемещения ленты 1 и контактной поверхности 3 блиска 4 и слоев ленты 1 между собой.
Устройство демпфирования может быть использовано в блисковых конструкциях газотурбинного двигателя для защиты от повреждений из-за вибраций и многоцикловой усталости.