Пустотелая широкохордовая лопатка вентилятора. Способ её изготовления.
HOLLOW WIDE-CHORD BLADE OF THE FAN AND METHOD OF ITS MANUFACTURE

Группа изобретений относится к области машиностроения, а именно к пустотелым широкохордным лопаткам вентилятора с демпфером для гашения вибраций и способам изготовления пустотелых широкохордных лопаток вентиляторов.
Повышение надежности путем предупреждения усталостных повреждений рабочих лопаток является актуальной задачей современного авиадвигателестроения. Возникновение этих повреждений во многом определяется уровнем вибрационных напряжений в лопатках во всем диапазоне режимов эксплуатации двигателя. Одним из важнейших факторов, снижающих уровень этих напряжений, является демпфирующая способность лопаток, которая определяется энергией, рассеянной в обтекающем газовом потоке (аэродемпфирование), в материале и за счет конструкционного демпфирования в замковом соединении и в контакте бандажных или антивибрационных полок для ступеней с этими полками.
Вентиляторы современных авиационных газотурбинных двигателей выполняются с широкохордными титановыми рабочими лопатками без антивибрационных полок, часто имеют пустотелую конструкцию пера лопатки. Конструкционное демпфирование (в замке лопатки) и демпфирование в материале этих лопаток мало, а аэродинамическое демпфирование резко падает на нерасчетных режимах (см. Б.Ф. Шорр, Г.В. Мельникова, Н.Н. Серебряков. Разработка технологий демпфирования колебаний рабочих лопаток турбин ТВД. ТО №13496, 2009).
Поэтому для предотвращения опасных резонансных колебаний лопаток применяют специальные демпфирующие устройства. В абсолютном большинстве известных случаев это устройства конструкционного демпфирования, у которых энергия рассеивается за счет работы сил сухого (кулонова) трения между контактирующими поверхностями при их взаимном упругом проскальзывании в процессе колебаний.
Выбор этого вида демпфирования выбран потому, что его использование позволяет создавать специальные демпфирующие устройства, обеспечивающие оптимальный уровень демпфирования рабочих лопаток турбомашин при конструктивных параметрах демпфирующих устройств. Под конструктивными параметрами здесь понимаются параметры, несущественно (допустимо) ухудшающие габаритные, массовые, технологические, конструктивные характеристики рабочих колес турбомашины и при этом улучшающие эксплуатационные характеристики этих колес и турбомашины в целом. Выбор в пользу этого вида демпфирования сделан уже в самых ранних разработках этих устройств.
Так известен демпфер сухого трения для бандажированных лопаток турбин (см. а.с. СССР 128868. Демпфер сухого трения для изменения собственной частоты колебаний бандажированных рабочих лопаток турбин / В.С. Осадченко. - Опубл. 1960. Бюл. №11), отличающийся тем, что с целью улучшения демпфирующих свойств и одновременного использования демпфера в качестве компенсации зазоров между образующими бандаж полками лопаток, он выполнен в виде самозаклинивающегося под действием центробежных сил промежуточного тела, размещенного в указанных зазорах.
Уже в этом изобретении содержится одна важная и полезная идея, используемая в других значительно более поздних изобретениях, - создание сил сухого трения на контактных поверхностях демпфера и демпфируемого объекта за счет воздействия центробежных сил, созданных демпфером.
Так, известен патент США №5205713, 27.04.1993, в котором предложен фрикционный демпфер, выполненный в виде вставки, которая устанавливается под трактовыми полками соседних лопаток и прижимается к ним под действием собственных центробежных сил.
По нашему мнению, это предложение принципиально ничем не отличается от предложения Осадченко (а.с. СССР 128868).
Однако в широкохордных лопатках современных авиационных газотурбинных двигателей (особенно у полых лопаток, изготовляемых по специальным технологиям) трактовые полки отсутствуют, что делает невозможным применение демпфирующих устройств (а.с. СССР 128868, патент США №5205713) для гашения колебаний этих лопаток.
Известен также ротор турбомашины (см. а.с. 333277. Ротор турбомашины / Н.С. Кондратов, П.Д. Вильнер, И.Д. Эскин. - Заявлено 12.11.1966. Опубл. 23.03.1972. Бюл. №11), содержащий диск с лопатками, имеющими демпфирующее устройство в виде пакета металлических пластин, отличающийся тем, что с целью повышения эффективности демпфирования лопаток они выполнены с разрезными хвостовиками, в разрез которых вставлены металлические пластины с натягом, созданным за счет упругой деформации (выпрямления) предварительно изогнутых металлических пластин, а в замок лопатки под различными углами запрессованы штифты.
max
Оригинальность этого предложения состоит в том, что упругодемпфирующий элемент располагается внутри ножки лопатки и в качестве такого элемента использован многослойный пакет стальных пластин, сжатый распределенной нагрузкой, полученной за счет больших упругих деформаций пакета при установке его в ножку. В случае когда жесткость на изгиб стороны ножки будет одного порядка, что и жесткость на изгиб одной пластины, при числе пластин m≥10 в пакете максимальное значение коэффициента рассеивания пакета может достигать очень высоких значений Ψ≈4÷5 (см. Эскин И.Д. Исследование обобщенных упругофрикционных характеристик демпферов и амортизаторов авиационных двигателей: дис. … канд. тех. наук / И.Д. Эскин. - Куйбышев: КуАИ, 1973. - 150 с.), т.е. эти устройства при должном подборе его параметров способно обеспечить высокий коэффициент рассеивания системе «диск - лопатки» на наиболее опасных низких формах ее колебаний и, следовательно, эффективное гашение этих колебаний лопаток.
Поэтому рассмотрим его недостатки с точки зрения возможного его использования для демпфирования колебаний рабочих широкохордных, пустотелых, титановых лопаток вентилятора авиационного двухконтурного газотурбинного двигателя.
Демпфирующее устройство по а.с. 333277 при постановке его в ножку титановой рабочей лопатки вентилятора будет недопустимо ее изнашивать при колебаниях лопатки (см. ниже).
Ширина этого устройства равна ширине ножки лопатки (ширине лопатки), что неприемлемо для широкохордных лопаток.
Сдавливающая нагрузка между пластинами пакета для получения требуемых демпфирующих характеристик устройства должна быть большой (по крайней мере, должна быть одного порядка с рабочей нагрузкой, действующей на лопатку) и воздействует на стенки ножки, что снижает прочностные характеристики лопатки.
Геометрия изогнутых пластин этого демпфирующего устройства, создающих сдавливающую нагрузку между его пластинами, и компоновка пакета (см. фиг. 1а.с. 333277) не обеспечит высокие демпфирующие свойства лопатке и требуемую оптимальную настройку демпфирующего устройства при использовании его в широкохордной пустотелой лопатке большой длины (например, 0,7÷1,0 м) и не имеющей ножки.
Известно демпфирующее устройство (патент США №5205714, 27.04.1993), действие которого основано на рассеянии энергии колебаний лопатки за счет работы сил сухого трения, возникающих при контакте малоподвижного элемента демпфирующего устройства с участком тела колеблющейся лопатки, расположенным внутри ее ножки или в области замкового соединения. Для создания контактного давления используются пружины или другие упругие элементы.
Заметим, что при одном и том же контактном давлении демпфирующее устройство по а.с. СССР 333277 будет рассеивать в разы большую энергию, чем демпфирующее устройство по патенту США №5205714, за счет в разы большего суммарного взаимного проскальзывания контактирующих поверхностей.
Известно также демпфирующее устройство (патент США №6283707, 04.09.2001), использующие для создания контактного давления центробежную силу инерции от вращения рабочего колеса элементов конструкции, размещенных внутри пера или замка лопатки, через упругие элементы.
Числа оборотов вентиляторов двухконтурных авиационных двигателей лежат в диапазоне n=3000÷8300 об/мин (причем нижние значения этих оборотов характерны для гражданских двигателей с большой степенью двухконтурности, а верхние для военных). Масса элемента, размещенного в замке или пере лопатки, невелика и едва ли в большинстве практических случаев превысит 50÷100 г. Поэтому величина создаваемой таким элементом центробежной силы в указанном диапазоне оборотов во многих практических случаях может оказаться недостаточной для создания такой настройки демпфера, которая бы эффективно гасила колебания лопатки.
Известно также устройство демпфирования широкохордых рабочих лопаток вентилятора (см. патент №2461717 РФ, МПК F01D 5/26, F01D 25/06. Устройство демпфирования колебаний широкохордых лопаток вентиляторов с большой конусностью втулки и вентилятор газотурбинного двигателя / Б.Ф. Шорр, Н.Н. Серебряков, М.А. Морозов. - http://www.findpatent.ru/patent/246/2461717/html), расположенное между рабочим колесом и бустером подпорных ступеней вентилятора, содержит кольцеобразную металлическую пластину, крепящуюся снаружи к диску вентилятора и/или к бустеру, и изогнутые профилированные элементы. Элементы выступают соответственно каждой рабочей лопатке над кольцеобразной пластиной по ее внешнему диаметру. Каждый из элементов включает упругую часть и фрикционную часть, отогнутую от упругой и загнутую в направлении внутреннего диаметра кольцеобразной металлической пластины. Элементы выполнены с возможностью прижатия фрикционной части к ответной торцовой поверхности ножки лопатки центробежной силой вентилятора без совершения совместных колебаний для создания силы трения, демпфирующей колебания лопатки. Жесткость крепления элемента к диску вентилятора и/или к бустеру не допускает совместных колебаний устройства и ножки лопатки. Достигается повышение надежности демпфирования колебаний широкохордых лопаток вентилятора с большой конусностью втулки за счет создания силы трения при перемещениях фрикционного элемента устройства и наружной поверхности торца ножки лопатки.
По нашему мнению, формулировка этой формулы изобретения содержит грубые неточности. Так, утверждение, что фрикционная часть прижимается к ответной торцовой поверхности ножки лопатки центробежной силой вентилятора, неточно, потому что неясно, какая это сила. Лопатки вентилятора создают центробежные силы, действующие на вентилятор, но, как ясно из анализа конструкции предложенного устройства, эти силы не создают сдавливающей нагрузки между фрикционной частью устройства и торцом ножки лопатки. Эта нагрузка в этом устройстве создается небольшой долей центробежной силы, создаваемой в основном массой отогнутой части фрикционного элемента (см. ниже). Термин «несовместные колебания», по нашему мнению, неудачен и неточен, так как при наличии ненулевых сил трения на контактных поверхностях на каждом размахе системы «лопатка - демпфирующее устройство» в начале каждого размаха будет этап, где элементы системы деформируются «совместно», как единое целое. Принципиально возможными являются и этапы деформации системы, на которых происходит постепенное расширение зоны взаимных упругих проскальзываний с сухим трением на контактных поверхностях элементов. Да и на этапе полного расслоения системы колебания ее элементов в строгом смысле не перестают быть совместными, так как и на этом этапе остаются справедливыми некоторые условия совместности деформации ее элементов.
Критикуя аналоги этого патента, его авторы утверждают: «В указанных технических решениях демпфирование осуществляется путем создания специальных устройств, помещаемых внутри пера или замка лопатки, создающих фрикционные силы между устройством и телом внутри пера лопатки. Однако в современных вентиляторах с полыми широкохордными лопатками невозможно применение устройства демпфирования этого типа из-за отсутствия тела пера лопатки».
Это утверждение принципиально неверно, так как современные лопатки вентиляторов имеют оболочку и элементы силового каркаса, размещенные внутри нее, и в пустотах внутри оболочки можно разместить демпферы, имеющие фрикционные контакты как внутри себя, так и с оболочкой и силовыми элементами.
Принципиально неверно и следующее утверждение этих авторов: «При использовании в качестве колеблющегося элемента демпфера внутренней поверхности лопатки точки контакта имеют незначительные относительные перемещения в плоскости поперечных колебаний лопатки, в силу чего такие устройства не позволяют обеспечить надежность демпфирования и, следовательно, предупреждение усталостных повреждений».
Оболочки пустотелых лопаток вентиляторов достаточно тонки, и смещения соответственных точек, лежащих в одном поперечном сечении на наружной и внутренней поверхностях оболочки при деформации лопатки, не сильно отличаются друг от друга.
Кроме того, как указывалось выше, внутри лопатки может быть размещен демпфер, у которого суммарная величина взаимных проскальзываний с сухим трением на его контактных поверхностях будет в разы больше, чем величина аналогичного проскальзывания демпфера, контактирующего с внешней поверхностью лопатки (например, демпфера по патенту №2461717 РФ), и при одной и той же величине сдавливающей нагрузки, при той же форме и амплитуде колебаний лопатки, демпфер, размещенный внутри лопатки на каждом размахе колебаний будет рассеивать больше энергии, чем демпфер, рассеивающий энергию только за счет работы сил сухого трения на взаимных проскальзываниях его контактной поверхности относительно внешней поверхности лопатки и, следовательно, обеспечит более высокую надежность демпфирования.
Кроме описанных выше смысловых неточностей демпфирующее устройство по патенту №2461717 РФ имеет ряд физических недостатков.
Так, из текста его описания следует, что демпфирующее устройство применяется для гашения колебаний лопаток вентилятора, изготовленных из титана.
Широко известно, что титан плохо работает на сухое трение. При сухом трении в паре «титан - металл», например в паре «титан - сталь», частицы титана вырываются из титанового элемента и налипают на стальной, происходит интенсивный износ титанового элемента.
В описании патента ничего не сказано о мерах, повышающих износостойкость титана.
Как известно, для этих целей наиболее широко применяется оксидирование титановых сплавов. Твердая окисная пленка исключает вырывание и налипание частиц титана и обеспечивает величину коэффициента трения скольжения в паре «титан - сталь» такую же, как в паре «сталь по стали».
Оксидирование титановых сплавов оказалось достаточным для обеспечения изготовления из титановых сплавов различных резьбовых соединений и допускает, например, многократное перезатягивание гаек из титанового сплава. Но нам неизвестно, какой ресурс будет у титановой оксидированной лопатки (и, следовательно, авиадвигателя) при взаимодействии ее с демпфирующим устройством по патенту №2461717 РФ при 8000 циклах ее нагружения в минуту.
Деформация фрикционного элемента следит за деформацией лопатки в месте контакта (в том смысле, что величины центробежной силы, действующей на фрикционный элемент, оказывается достаточно для сохранения непрерывного контакта фрикционного элемента и лопатки).
Чтобы эффективность демпфирующего устройства по патенту №2461717 РФ была бы приемлема жесткость его фрикционного элемента в направлении поперечных колебаний лопатки должна быть, по крайней мере, одного порядка с жесткостью лопатки в этом же направлении (см. Эскин И.Д. Исследование обобщенных упругофрикционных характеристик демпферов и амортизаторов авиационных двигателей: приложение к дис. … канд. тех. наук / И.Д. Эскин. Приложение. - Куйбышев: КуАИ, 1973. - 315 с.), т.е. достаточно большой.
В конструкции демпфирующего устройства по патенту №2461717 выполнение этого условия приводит к достаточно большой жесткости его фрикционного элемента в направлении, перпендикулярном плоскости поперечных колебаний лопатки.
Лопатка совершает пространственные колебания. Возрастание составляющей ее деформации в направлении отрыва фрикционного элемента от поверхности лопатки уменьшает долю центробежной силы, создающей сдавливающую нагрузку между лопаткой и фрикционным элементом, от половинного значения центробежной силы при нулевом значении этой составляющей вплоть до нуля при отрыве фрикционного элемента. Причем чем больше жесткость фрикционного элемента в направлении, перпендикулярном плоскости поперечных колебаний лопатки, тем интенсивнее идет процесс снижения этой доли центробежной силы на данном размахе колебаний. Это физическое явление несколько снижает демпфирующие свойства этого демпфирующего устройства.
При появлении зазора между лопаткой и фрикционным элементом у неработающего двигателя, а этот зазор может появиться в силу ряда эксплуатационных причин, например за счет износа контактирующих поверхностей лопатки и фрикционного элемента, этот зазор будет выбираться на работающем двигателе при действии центробежной силы, причем доля центробежной силы, создающей сдавливающую нагрузку между лопаткой и фрикционным элементом, будет уменьшаться (от половины центробежной силы) тем больше, чем больше жесткость фрикционного элемента в направлении, перпендикулярном плоскости поперечных колебаний лопатки, и чем больше зазор. Это физическое явление в процессе эксплуатации может существенно снизить демпфирующие свойства этого демпфирующего устройства вплоть до такого уровня, когда демпфирующее устройство станет бесполезным.
Для того чтобы вся центробежная сила фрикционного элемента создавала сдавливающую нагрузку на контактных поверхностях лопатки и фрикционного элемента, в зависимом пункте формулы изобретения патента №2461717 РФ предложено демпфирующее устройство, у которого фрикционный элемент установлен с возможностью свободного смещения его в направляющих в радиальном направлении.
Недостатком этого устройства является его конструктивная и технологическая сложность, которая прежде всего заключается в выполнении с высокими точностью и чистотой изготовления основания с направляющими и самого фрикционного элемента, исключающими заклинивание его в направляющих, которое в свою очередь может привести к увеличению дисбаланса ротора вентилятора.
К числу основных недостатков демпфирующего устройства по патенту №2461717 РФ то обстоятельство, что применение его в гражданских газотурбинных двигателях с оборотами n=3000÷4000 об/мин с большой степенью двухконтурности с рабочими лопатками вентилятора, выполняемыми с ножками, оказывается неэффективным или даже нецелесообразным в силу того, что центробежная сила, создаваемая фрикционным элементом при его конструктивных параметрах, окажется недостаточной для создания настройки демпфера, обеспечивающей его эффективную работу, или настройка демпфера окажется даже не снижающей максимальные напряжения лопатки на ее наиболее опасных формах колебания до приемлемого уровня (см. ниже).
К числу основных недостатков демпфирующего устройства по патенту №2461717 РФ относится также то обстоятельство, что применение его для военных газотурбинных двигателях с оборотами n=7000÷8300 об/мин невозможно или неэффективно, так как у вентиляторов этих двигателей рабочие лопатки выполнены либо совсем без ножек, либо с короткими ножками, у которых смещения, на которых бы рассеивалась энергия, при использовании демпфера по патенту №2461717 РФ, малы, и, следовательно, мала эта энергия.
Кроме того, даже в гипотетическом случае, когда максимальное число оборотов вентилятора достаточно велико, например n≥8000 об/мин, и рабочие лопатки вентилятора выполнены с высокими ножками, двигатель при запуске или останове проходит через обороты, частоты которых совпадают с резонансными частотами опасных низших форм колебания рабочих лопаток вентилятора, и эти частоты относительно невелики, например соответствуют n≤4000 об/мин, и/или двигатель имеет рабочие режимы с оборотами, находящимися в резонансных зонах этих форм колебаний рабочих лопаток вентилятора, демпфирующее устройство по патенту №2461717 РФ на этих режимах работы окажется малоэффективным вследствие недостаточной величины центробежной силы, создаваемой фрикционным элементом устройства.
Для использования в авиадвигателях пятого поколения требуются пустотелые широкохордные лопатки вентиляторов до 1÷1,5 м длиной с рабочей температурой до 250°С. Они должны иметь стойкость к точечным ударам при попадании посторонних предметов, иметь высокую усталостную прочность при длительном воздействии статических и динамических нагрузок и быть устойчивыми к скручиванию при высоких оборотах. В настоящее время эти лопатки изготавливаются из волокнистых однонаправленных композиционных металломатричных материалов с малым удельным весом, высокой прочностью и высокой стойкостью к эрозии в потоке газов.
Известен способ изготовления лопаток вентилятора (см. патент США №398646), по которому оболочки лопатки изготавливают из боралюминиевого волокнистого композиционного материала, в полости, образованной оболочками, размещают титановый лонжерон. Лонжерон и оболочки сваривают диффузионной сваркой при температуре и давлении.
Недостатком этого способа является сложность получения оболочек аэродинамической формы из непластичных (хрупких) волокон боралюминия. Основным несущим элементом в этой конструкции крупноразмерной лопатки является лонжерон, и так как титан обладает худшей прочностью, чем боралюминий, более рациональным было бы силовой элемент выполнить из боралюминия, а оболочки из титана (см. ниже).
Известен способ получения лопатки компрессора (см. патент РФ №2229035), состоящей из оболочки и силовых несущих элементов, имеющих полости, или выполнена без полостей, включающий придание пластинам, из которых выполнены оболочка и несущие элементы, заданной формы и размеров, укладку пластин друг на друга в штамп, повторяющий форму и размеры лопатки, и диффузионную сварку при температуре и давлении. Оболочку и несущие элементы выполняют из одного и того же материала или хотя бы одну пластину вырезают из металла с иными характеристиками прочности.
Недостатком этого способа при применении его к изготовлению крупноразмерных лопаток является то, что основная часть такой лопатки будет изготовлена из металлического листового материала с высоким удельным весом, но не обладающим достаточной прочностью и жесткостью, необходимых для изготовления пустотелых широкохордных лопаток вентилятора. При изготовлении таких лопаток с полостями снижается одновременно ее вес и прочность, что принципиально не позволяет достичь результатов, получаемых способом (см. патент РФ 2296246, МПК F04D 29/38. Способ получения широкохордной пустотелой лопатки вентилятора / Е.Н. Каблов, Ю.А. Абузин, А.И. Наймушин, В.Н. Кочетов, А.А. Шавнев. Опубл. 27.03.2007. Интернет: http://www.freepatent.ru/patents/2296246), состоящим в том, что пустотелую широкохордную лопатку вентилятора, состоящую из оболочки и силовых несущих элементов, изготавливают следующей последовательностью операций: придают оболочке требуемую форму и размеры, получают несущие элементы из предварительно сформованных монослоев композиционного материала путем их ступенчатой термодеформационной обработки с постепенным увеличением ее воздействия на материал, укладывают в оболочку несущие элементы на расстояниях друг от друга в соответствии со схемой армирования, укладывают сформированную таким образом заготовку в штамп, повторяющий профиль и размеры лопатки, в составе собранной заготовки выполняют завершающую стадию термодеформационной обработки несущих элементов при одновременном прессовании и диффузионной сварке лопатки при заданной температуре и давлении.
Оболочку выполняют из листа из титанового сплава. Несущие элементы изготавливают из волокнистого однонаправленного металломатричного высокомодульного композиционного материала - борных волокон в алюминиевой матрице, или борных волокон с покрытием карбида кремния в алюминиевой матрице, или углеродных волокон в алюминиевой матрице, или волокон карбида кремния в титановой матрице.
Ступенчатую термодеформационную обработку несущих элементов лопатки проводят в несколько стадий. На первой стадии степень воздействия термодеформационной обработки составляет 40-70%, на второй стадии степень воздействия термодеформационной обработки с одновременным формованием несущих элементов до требуемой геометрической формы составляет 60-90%, а окончательную термодеформационную обработку несущих элементов до 100% проводят в составе собранной заготовки при одновременном прессовании и диффузионной сварке лопатки.
Этот способ позволяет получить легкие пустотелые широкохордные лопатки вентиляторов авиационных ГТД с высокой прочностью и статической жесткостью, сохраняющимися или нарастающими в процессе технологического цикла, повысить ресурс и надежность вентилятора ГТД.
Общим недостатком пустотелых широкохордных лопаток, получаемых вышерассмотренными способами, и самих этих способов является то обстоятельство, что в конструкции этих лопаток и способах не предусмотрена постановка специального демпфирующего устройства, что при очень крупных размерах этих лопаток и подверженности их большим вибрационным и ударным нагрузкам может оказаться в ряде практических случаях очень важной проблемой, и конструктор столкнется с необходимостью разработки конструкции пустотелой широкохордной лопатки с высокоэффективным демпфирующим устройством и способа ее изготовления.
Нам не удалось отыскать не только хотя бы один пример успешного практического применения в серийно выпускаемой турбомашине специальных демпфирующих устройств пустотелых широкохордных лопаток вентилятора, но и патентов, где бы предлагались такие лопатки с высокоэффективным демпфирующим устройством. Заметим также, что актуальность решения этой задачи будет только возрастать с развитием прогресса в авиадвигателестроении.
Поэтому в качестве прототипов предлагаемой пустотелой широкохордной лопатки вентилятора и способа ее изготовления как наиболее близкие по техническому решению к предлагаемым приняты пустотелая широкохордная лопатка вентилятора, получаемая по способу (см. патент РФ 2296246, МПК F04D 29/38. Способ получения широкохордной пустотелой лопатки вентилятора), и сам этот способ.
Ставится задача создания конструкции крупноразмерной легкой пустотелой широкохордной лопатки вентилятора авиационного ГТД пятого поколения с высокой прочностью и статической жесткостью, сохраняющимися или нарастающими в процессе технологического цикла, с высокоэффективным демпфирующим устройством, способным не только снизить динамические напряжения в лопатке при ударе и вибрации до безопасного уровня, но и повысить ресурс и надежность вентилятора ГТД.
1
2
3
1
2
3
н
Поставленная задача решается тем, что предлагается пустотелая широкохордная лопатка вентилятора, состоящая из оболочки, выполненной из листа из титанового сплава, и жестко скрепленных с ней силовых несущих элементов, выполненных, кроме одного, из волокнистого однонаправленного металломатричного композиционного материала - борных волокон в алюминиевой матрице, или борных волокон с покрытием карбида кремния в алюминиевой матрице, или углеродных волокон в алюминиевой матрице, или волокон карбида кремния в титановой матрице, причем n+1 силовых несущих элементов выполнены в виде замков «ласточкин хвост» и размещены между других n силовых несущих элементов и на краях замка лопатки, n-1 силовых несущих элементов, выполненных из композиционного материала, имеют замковую часть, выполненную в виде «ласточкина хвоста», и размещенную внутри оболочки часть в виде стержня с постоянным или с постепенно сужающимся к концу лопатки поперечным четырехугольным сечением, со сторонами, контактирующими с оболочкой, повторяющими ее форму, все несущие элементы диффузионной сваркой при температуре и давлении замковыми частями скреплены друг с другом, а частями, размещенными внутри оболочки, - с оболочкой, отличается тем, что силовой несущий элемент, в полости между стойками которого размещен демпфер, выполнен из титанового сплава и имеет П-образную форму на виде сбоку на лопатку, образованную перекладиной и стойками с замковой частью, выполненной в форме и размерах «ласточкиного хвоста» замка лопатки, а между торцом демпфера и перекладиной силового элемента выполнен зазор, выбираемый при максимальной рабочей температуре, и между опорными поверхностями демпфера и стойками с натягом установлены стальные каленые гладкие шлифованные ленты, и демпфер выполнен в виде многослойной многопролетной балки, собранной из m≥10 стальных каленых шлифованных лент, собранных в компоновке m=m+2m+2m+2: в центре пакета установлено m=1, 2 и более гладких лент, на них с двух сторон «вершина гофра к вершине гофра» установлены два пакета, собранные «гофр в гофр» из m=1, 2 и более гофрированных лент, на которые установлены пакеты из m=1, 2 и более гладких лент, снаружи пакета установлены гладкие ленты, по одной с каждой стороны пакета, с толщиной h=(k/2)⋅h, где k=2÷10 и h - толщина внутренних лент демпфера в мм, на этих лентах с шагом, равным двум шагам гофров, симметрично продольной оси лент выполнены прямоугольные выступы, причем выступы одной ленты смещены на шаг гофров относительно выступов другой наружной ленты и середины выступов располагаются в сечениях, где располагаются вершины гофров, опирающиеся на пакеты гладких лент, установленных снаружи пакетов гофрированных лент, и в собранном демпфере гофры упруго полностью выпрямлены за счет отгибания выступов на наружные гладкие ленты, и части выступов, отогнутые на наружные ленты, и являются опорными поверхностями демпфера, а в замковых частях стоек силового несущего элемента и в пакете выполнено отверстие, в которое запрессован штифт, и трущиеся поверхности пакета и стальных гладких лент, на которые он опирается, покрыты износостойким покрытием, а сама пустотелая широкохордная лопатка изготовлена по способу п. 2 формулы изобретения.
Предлагаемая конструкция пустотелой лопатки вентилятора является компромиссным решением, так как при постановке демпфера и изготовлении одного из силовых несущих элементов из титанового сплава увеличивается масса лопатки и снижается в какой-то мере ее статическая прочность, так как титановый сплав менее прочен, чем композиционный материал, из которого сделаны остальные силовые элементы лопатки, но в то же время в разы снижаются динамические напряжения в пере лопатки, что может с лихвой перевесить отрицательный результат от постановки демпфера в лопатку. На практике могут встретиться случаи, когда постановка демпфера в лопатку окажется безальтернативным решением.
Изготовление лопатки предлагаемым способом (см. ниже) обеспечивает лопатке высокую прочность и статическую жесткость, сохраняющиеся или нарастающие в процессе технологического цикла.
Изготовление силового несущего элемента из титанового сплава объясняется тем, что композиционный высокомодульный материал, из которого изготовлены остальные несущие элементы лопатки, хрупок и тверд и плохо механически обрабатывается.
Широко известно, что титан плохо работает на трение. Поэтому между демпфером и силовым элементом установлены стальные каленые шлифованные ленты, чем обеспечивается контакт «сталь по стали» трущихся поверхностей.
На длинную пустотелую лопатку может быть установлен демпфер большой длины. Коэффициент линейного температурного удлинения титана меньше, чем у стали, из которой изготовлены ленты демпфера, и разница в температурных удлинениях демпфера и стоек силового элемента может оказаться недопустимой при отсутствии начального зазора между торцом демпфера и перекладиной силового элемента. Поэтому у предлагаемой лопатки между торцом демпфера и перекладиной силового элемента выполнен зазор, выбираемый при максимальной рабочей температуре, например при 250°С.
Сдавливающая нагрузка между лентами пакета получена за счет большой упругой деформации гофров при их полном выпрямлении в собранном пакете и является внутренней нагрузкой пакета и не нагружает силовой элемент и оболочку лопатки.
Наличие штифта и упор пакета и гладких стальных лент в соседние силовые элементы исключает смещение пакета и лент как твердого тела относительно силового элемента. Центробежная сила, создаваемая массой пакета, в основном воспринимается штифтом и замком лопатки и слабо воздействует на ее оболочку.
Сам демпфер (пакет) по классификации систем конструкционного демпфирования, разработанной в работе (см. Эскин И.Д. Исследование обобщенных упругофрикционных характеристик демпферов и амортизаторов авиационных двигателей: дис. … канд. тех. наук / И.Д. Эскин. - Куйбышев: КуАИ, 1973. - 150 с.), можно отнести к системам с неизменяющимися за цикл нагружения силами трения на ее контактных поверхностях и с постоянной жесткостью при мыслимом уничтожении сил трения в ней, с постепенным распространением упругих взаимных проскальзываний, как на каждой паре контактных поверхностей, так и от пары к паре.
max
max
max
Как показано в этой работе, упругофрикционные характеристики (УФХ) этих систем обладают асимптотическими свойствами, т.е. с ростом числа m лент в пакете растут величины коэффициентов рассеивания пакетов, но начиная с m=10 с дальнейшим ростом числа лент m в пакете величины коэффициентов рассеивания (в том числе и величина максимального коэффициента рассеивания Ψ) будут расти мало, т.е. при выбранном конструктивном значении числа лент в пакете m≥10 значения коэффициентов рассеивания пакета будут близки к максимально возможным для этого пакета. В этой работе показано, что величина максимального коэффициента рассеивания пакета такого типа может быть очень большой при m≥10 и k=2Ψ≈5. Причем с ростом величины k величины коэффициентов рассеивания пакета падают, и при изменении величины k в диапазоне k=2÷10 величина максимального коэффициента рассеивания Ψ будет изменяться от 5-ти до 4-х. Следовательно, при должном подборе размерных конструктивных параметров, при указанном диапазоне значений параметров m и k предлагаемый демпфер будет высокоэффективным, т.е. эффективно снижающим напряжения в пере лопатки от вибрационной и ударной нагрузки и увеличивающим ресурс и надежность работы двигателя, а его габариты и масса окажутся вполне приемлемыми.
1
2
3
Предлагается способ изготовления пустотелой широкохордной лопатки вентилятора, состоящий в том, что из листа из титанового сплава изготавливают оболочку пустотелой широкохордной лопатки вентилятора требуемой формы и размеров, получают силовые несущие элементы: n+1 силовой несущий элемент, выполненный в виде замка «ласточкин хвост» лопатки, и n-1 силовой несущий элемент, имеющий замковую часть, выполненную в виде «ласточкина хвоста» лопатки, и часть в виде стержня с постоянным или с постепенно сужающимся к концу лопатки поперечным прямоугольным сечением, из предварительно сформованных монослоев высокомодульного металломатричного композиционного материала - борных волокон в алюминиевой матрице, или борных волокон с покрытием карбида кремния в алюминиевой матрице, или углеродных волокон в алюминиевой матрице, или волокон карбида кремния в титановой матрице, путем их ступенчатой термодеформационной обработки с постепенным увеличением ее воздействия на материал, причем предпочтительно на первой стадии степень воздействия термодеформационной обработки составляет 40-70%, на второй стадии степень воздействия термодеформационной обработки с одновременным формованием несущих элементов до требуемой геометрической формы составляет 60-90%, а окончательную термодеформационную обработку несущих этих элементов до 100% проводят в составе полностью собранной заготовки при одновременном прессовании и диффузионной сварке лопатки, укладывают в оболочку несущие элементы в порядке и на расстояниях друг от друга в соответствии со схемой армирования, отличающийся тем, что из титанового сплава изготавливают еще один силовой несущий элемент, имеющий П-образную форму на виде сбоку на лопатку, образованную перекладиной и стойками с замковой частью, выполненной в форме и размерах «ласточкиного хвоста» замка лопатки, причем высота полости между стойками элемента больше длины демпфера, размещаемого в полости, на величину зазора, выбираемого при максимальной рабочей температуре, а ширина полости выбрана такой, чтобы демпфер с требуемым натягом между его опорными поверхностями и гладкими калеными шлифованными лентами, устанавливаемыми между ним и стойками, размещался в этой полости, причем требуемая величина натяга устанавливается подбором толщины этих лент, собирают демпфер из стальных каленых шлифованных лент, покрытых износостойким покрытием, в компоновке m=m+2m+2m+2, сжимают его до полного упругого выпрямления гофров пакета, одновременно отгибая выступы каждой наружной ленты пакета на другую наружную ленту пакета, шлифуют пакет поверху по выступам, вставляют в полость силового несущего элемента без зазора технологическую вставку из тугоплавкого материала и устанавливают силовой элемент с вставкой в оболочку на его место в лопатке, укладывают сформированную таким образом заготовку в штамп, повторяющий профиль и размеры лопатки, в составе собранной заготовки выполняют завершающую стадию термодеформационной обработки несущих элементов при одновременном прессовании и диффузионной сварке лопатки при заданной температуре и давлении, вынимают лопатку из штампа и вставку из несущего силового элемента, и пока лопатка не остыла, вставляют демпфер в полость силового несущего элемента, выполняют отверстие под штифт в замковой части этого силового элемента и пакета и запрессовывают в него штифт.
При проведении первой стадии термодинамической обработки пакета монослоев волокнистого металломатричного композиционного материала уменьшается зазор между монослоями и происходит перераспределение между его волокнами матричного металла. На второй стадии термодинамической обработки заготовок несущих элементов им придается требуемая форма, между слоями композиционного материала возникает требуемая связь, формируется плотная структура материала, исчезают поры и несплошности, постепенно композиционный материал из слоистого превращается в монолитный.
На третьей окончательной стадии термодинамической обработке при температуре 550°±20°С и давлении 0,5 МПа (см. патент РФ 2296246, МПК F04D 29/38) подвергают собранную заготовку лопатки - оболочку с установленными в нее согласно схеме армирования всеми силовыми несущими элементами. Термодеформация силовых несущих элементов достигает 100%, и одновременно они соединяются в единое целое с оболочкой лопатки диффузионной сваркой.
Так как термодинамическая обработка лопатки по предлагаемому способу практически ничем не отличается от ее термодинамической обработки по способу патента РФ 2296246, МПК F04D 29/38, предлагаемый способ также позволяет получить пустотелую широкохордную лопатку с высокими механическими свойствами и легким весом на традиционном оборудовании, при этом волокнистый, металломатричный композиционный материал получает максимально высокие механические свойства в процессе придания изделию сложной аэродинамической формы и, как это указано в описании патента РФ 2296246, МПК F04D 29/38, это преимущество достигается благодаря тому, что несущие элементы из волокнистого однонаправленного композиционного материала на первой предварительной стадии не подвергают окончательной обработке, а проводят ее после сборки полученных элементов в форме пресса одновременно с приданием аэродинамической формы изделию и диффузионной сварки элементов сборки, в результате чего композиционный материал приобретает свои максимальные прочностные свойства. Если несущие элементы изготовить сразу в окончательной форме, подвергнув их на первой стадии 100% термодинамической обработке, то на следующей стадии в процессе прессования лопатки произойдет перепрессовка хрупких волокон и композиционный материал потеряет свои прочностные свойства.
Демпфер устанавливают в лопатку, когда она еще не остыла и имеет температуру 350÷400°С. Причем величину натяга по выступам демпфера выбирают такой, чтобы демпфер можно было при этой температуре, приложив ручное усилие, установить на его место в лопатке, а при рабочей температуре 250°С она составляла бы требуемую величину. Поэтому, чтобы ленты демпфера можно было закалить, чтобы они были стойкими к коррозии и не теряли своих упругих свойств при температуре 300÷400°С, они изготавливаются из жаропрочной нержавеющей стали мартенситного класса, например из стали 15ХМЮ.
Отверстие под штифт выполняется в собранном демпфере, в каленых стальных лентах, что представляет некоторую технологическую трудность, но в настоящее время широко известны технологические способы выполнения таких отверстий, которые здесь не описываются.
Предлагаемые лопатка вентилятора и способ ее изготовления иллюстрируются фигурами. Оболочка лопатки, ее силовые несущие элементы на фигурах показаны как единый монолит, в который они превращаются после диффузионной сварки.
На фиг. 1 изображена предлагаемая пустотелая широкохордная лопатка. Демпфер изображен условно с меньшим числом лент.
На фиг. 2 изображен продольный разрез лопатки по плоскости симметрии демпфера. Граница оболочки показана условно сплошной тонкой линией. Изображение увеличено.
На фиг. 3 изображена схема расположения силовых несущих элементов внутри оболочки лопатки. Несущие силовые элементы для лучшего чтения чертежа изображены раздвинутыми. В оболочке они установлены в том же порядке, но встык друг к другу.
1
2
3
На фиг. 4 изображен пример компоновки демпфера (k=4, m=16=(m=4)+2(m=3)+2(m=2)+2). Изображение увеличено.
На фиг. 5 изображена развертка наружной ленты демпфера. Линии сгиба на развертке показаны сплошной тонкой линией.
На фиг. 6 изображен в аксонометрической проекции собранный демпфер перед установкой его в лопатку.
1
2
3
1
2
3
н
Предлагаемая пустотелая широкохордная лопатка вентилятора (см. фиг. 1 и 2) состоит из оболочки 1, выполненной из листа из титанового сплава, и жестко скрепленных с ней силовых несущих элементов: несущего элемента 2, изготовленного из титанового сплава, несущих элементов 3 и 4, выполненных из волокнистого, однонаправленного, высокомодульного, металломатричного, композиционного материала - борных волокон в алюминиевой матрице, или борных волокон с покрытием карбида кремния в алюминиевой матрице, или углеродных волокон в алюминиевой матрице, или волокон карбида кремния в титановой матрице, и демпфера 5. Причем n+1 силовых несущих элементов 3 (см. фиг. 3) выполнены в виде замков «ласточкин хвост» и размещены между n силовых несущих элементов 2 и 4 и на краях замка лопатки, a n-1 силовых несущих элементов 4, выполненных из композиционного материала, имеют замковую часть 6, выполненную в виде «ласточкина хвоста», и размещенную внутри оболочки 1 часть 7 (см. фиг. 1 и 3) в виде стержня с постоянным или с постепенно сужающимся к концу лопатки поперечным четырехугольным сечением, со сторонами, контактирующими с оболочкой, повторяющими ее форму. Все несущие элементы диффузионной сваркой при температуре и давлении замковыми частями скреплены друг с другом, а частями, размещенными внутри оболочки 1, - с оболочкой. Силовой несущий элемент 2 (см. фиг. 2) имеет П-образную форму на виде сбоку на лопатку, образованную перекладиной 8 и стойками 9 с замковой частью 10, выполненной в форме и размерах «ласточкиного хвоста» замка лопатки. Демпфер 5 размещен в полости между стойками 9 с натягом по его опорным поверхностям. Между опорными поверхностями демпфера 5 и стойками 9 с натягом установлены стальные каленые гладкие шлифованные ленты 11. Демпфер 5 выполнен в виде многослойной многопролетной балки, собранной из m≥10 стальных каленых шлифованных лент, собранных в компоновке m=m+2m+2m+2 (см. фиг. 4): в центре пакета 12 установлено m=1, 2 и более гладких лент 13, на них с двух сторон «вершина гофра к вершине гофра» установлены два пакета 14, собранные «гофр в гофр» из m=1, 2 и более гофрированных лент 15, на которые установлены пакеты 16 из m=1, 2 и более гладких лент 17, снаружи пакета 12 установлены гладкие ленты 18, по одной с каждой стороны пакета, с толщиной h=(k/2)⋅h, где k=2÷10 и h - толщина внутренних лент демпфера в мм. На этих лентах (см. фиг. 4, 5) с шагом, равным двум шагам гофров t, симметрично продольной оси лент выполнены прямоугольные выступы 19. Причем выступы 19 одной ленты 18 смещены на шаг гофров относительно выступов 19 другой наружной ленты 18 и середины выступов располагаются в сечениях, где располагаются вершины гофров, опирающиеся на пакеты гладких лент 16 (см. фиг. 4), установленных снаружи пакетов гофрированных лент 14. В собранном демпфере 5 (см. фиг. 6) гофры упруго полностью выпрямлены за счет отгибания выступов 19 на наружные гладкие ленты 18, и части выступов 19, отогнутые на наружные ленты 18, и являются опорными поверхностями демпфера 5. В замковых частях 10 стоек 9 силового несущего элемента 2 и в демпфере 5 (см. фиг. 2) выполнено отверстие, в которое запрессован штифт 20. Трущиеся поверхности демпфера 5 и стальных гладких лент 11, на которые он опирается, покрыты износостойким покрытием, а сама пустотелая широкохордная лопатка изготовлена по способу п. 2 формулы изобретения.
Способ изготовления предлагаемой пустотелой широкохордной лопатки подробно описан выше.
Энергия колебаний и удара лопатки рассеивается в основном за счет работы сил сухого трения на взаимных упругих проскальзываниях лент демпфера 5 и при проскальзывании выступов 19 по лентам 11 при деформации демпфера.
На первой форме колебаний лопатки демпфер 5 будет деформироваться как многослойная консольная балка, а на высших формах ее колебаний - как многопролетная многослойная балка. Если параметры демпфера подобраны так, что обеспечивается оптимальная настройка системы «лопатка - демпфер» на первой форме колебаний лопатки, то настройки этой системы на высших формах колебания лопатки с большой вероятностью окажутся близкими к оптимальным настройкам системы на этих формах колебаний лопатки, так как с ростом номера формы колебаний растет динамическая жесткость лопатки, но соответственно растет и жесткость демпфера. Это облегчает определение параметров демпфера так, чтобы он оказался высокоэффективным на всех опасных формах колебаний лопатки.
Использование легких, высокопрочных, высокомодульных, волокнистых, однонаправленных, металломатричных, композиционных материалов в конструкции вентиляторов авиационного ГТД пятого поколения обеспечивает существенное снижение веса двигателя, высокую прочность и жесткость лопаток на растяжение при вращении вентилятора, прочность при ударах посторонних предметов о лопатку, увеличивает ресурс работы вентилятора, позволяет отказаться от бандажных полок лопаток, уменьшить зазоры между лопатками и корпусом, сократить число ступеней вентилятора.
В настоящее время, по нашему мнению, прогресс в вычислительной технике, проявившийся прежде всего в замечательном увеличении производительности вычислительного процесса и объемов машинной памяти, разработка редакторов, позволяющих численными методами, например методом конечных элементов (МКЭ), решать динамические задачи сложных механических систем, достаточно точно моделирующих узлы турбомашин, накопленные знания в области конструкционного демпфирования, достаточные для разработки высоко эффективных специальных демпфирующих устройств для гашения колебаний рабочих лопаток турбомашин, обеспечили возможность сокращения объемов дорогостоящего натурного эксперимента за счет решения целого ряда вопросов проведением более дешевого виртуального эксперимента на ЭВМ.
Так, в настоящее время могут быть построены физические модели процесса сборки предлагаемого демпфера и его одновременного нагружения статической растягивающей и статическими и циклическими изгибной и крутящей нагрузками и исследована динамика системы «пустотелая широкохордная лопатка - демпфер» при ударе и колебаниях и определены оптимальные настройки этой системы расчетным путем, в виртуальном эксперименте, проводимом на ЭВМ.
Уже сейчас можно дать ряд рекомендаций, позволяющих прояснить некоторые вопросы методологии проведения виртуального эксперимента и очень существенно сократить его объем.
Как уже указывалось, определение размерных параметров демпфера таким образом, чтобы обеспечивалась оптимальная настройка системы «пустотелая широкохордная лопатка - демпфер» для первой формы колебаний лопатки, может оказаться вполне удачным и для эффективного гашения более высоких форм ее колебаний.
Поэтому ввиду сложности полномасштабного решения задачи о динамическом поведении системы «пустотелая широкохордная лопатка - демпфер» при колебаниях и ударе, по нашему мнению, поведение этой системы в диапазоне частот, где реализуется первая форма колебаний лопатки, следует выделить в отдельное исследование.
Как уже указывалось, предлагаемый демпфер можно отнести к системам с неизменяющимися за цикл нагружения силами трения на ее контактных поверхностях и с постоянной жесткостью при мыслимом уничтожении сил трения в ней. В работе (см. Эскин И.Д. Исследование обобщенных упругофрикционных характеристик демпферов и амортизаторов авиационных двигателей: дис. … канд. тех. наук / И.Д. Эскин. - Куйбышев: КуАИ, 1973. - 150 с.) показано, что для систем конструкционного демпфирования этого класса справедлив принцип Майзинга. Следовательно, для задания поля упругогистерезисных петель предлагаемого демпфера и построения любого процесса нагружения в этом поле достаточно задания полного повторного или начального процесса нагружения. Формулы для определения любого повторного процесса нагружения для этого класса систем см. в этой работе. Под полным процессом нагружения здесь понимается процесс, при котором демпфер проходит все этапы расслоения, включая и этап, на котором демпфер деформируется как полностью расслоенная балка.
Кроме того, предлагаемый демпфер относится к системам конструкционного демпфирования с постепенным распространением упругих взаимных проскальзываний как на каждой паре контактных поверхностей, так и от пары к паре. Число лент в нем выбрано таким, что с дальнейшим ростом числа лент в пакете его УФХ изменяются мало (асимптотически).
a
а
В этой же работе показано, что при действии на пакет (на систему такого класса) циклической изгибающей силы в области асимптотического изменения его УФХ различные типоразмеры пакета приближенно подобны по упргофрикционным свойствам, т.е. их УФХ в критериальных координатах η-ξ описываются единственным обобщенным полем упругогистерезисных петель, для задания которого также достаточно задания одного полного повторного или начального процесса нагружения, построенного в этих координатах. Здесь безразмерная циклическая сила η=P/T и безразмерная деформация пакета ξ=Y/, где Р - циклическая сила, действующая на пакет, Т - обобщенная сила трения, определяемая как половина отрезка, отсекаемого на оси ординат процессами нагружения полностью расслоенного пакета, Y - деформация пакета,  - обобщенная деформация пакета, определяемая как половина отрезка, отсекаемого на оси абсцисс процессами нагружения полностью расслоенного пакета.
Конечно, на демпфер лопатки одновременно действуют различные виды нагрузок, оказывающих взаимное влияние на законы деформирования демпфера от каждой из этих нагрузок и даже на сами величины этих нагрузок. Но при этом «классность» демпфера не меняется и у нас появляется уверенность в справедливости гипотезы, утверждающей, что предлагаемый демпфер и под действием реальных нагрузок будет приближенно подобен по упругофрикционным свойствам, т.е. для каждого вида его циклической нагрузки можно в критериальных координатах построить с учетом фактора одновременности действия различного вида нагрузок единственное обобщенное поле упругогистерезисных петель.
Можно также сделать еще более смелое предположение, что для каждого из этих полей окажется справедливым принцип Майзинга.
Все это позволяет совершенно замечательно сократить объем виртуального эксперимента по исследованию динамики системы «пустотелая широкохордная лопатка - демпфер» и уже сейчас теоретически решить эту задачу и провести ее расчетное исследование.
Заметим, что сама система «пустотелая широкохордная лопатка - демпфер» принадлежит к другому классу систем конструкционного демпфирования, чем демпфер, а именно к классу систем с изменяемыми за цикл нагружения силами трения на контактных поверхностях, и это должно быть учтено в решении задачи.
В заключение отметим также, что к преимуществам предлагаемой пустотелой лопатки можно также отнести высокую стабильность при наработке УФХ демпфера 5, обеспеченную большой упругой деформацией гофров при их полном выпрямлении в собранном пакете и возможность замены гладких лент 11 и демпфера 5 (см. фиг. 1) при приобретении в процессе эксплуатации демпфером недопустимых УФХ, недопустимого их износа или поломки.