УСТРОЙСТВО ДЛЯ УДЕРЖАНИЯ ОБОРВАВШИХСЯ ЛОПАТОК ИЛИ ИХ ФРАГМЕНТОВ В ТУРБОРЕАКТИВНОМ ДВИГАТЕЛЕ

Полезная модель относится к области авиационного машиностроения и может быть использована при проектировании, изготовлении и эксплуатации авиационных двигателей.
Известно лопаточное устройство, которое содержит корпус со слоями композиционно-волокнистого материала, ротор с лопатками и уловитель лопаток (RU 2371589, F01D 21/04, 2008). Часть слоев корпуса выполнена из тканого материала с S-образными перегибами в тангенциальном направлении. Основным недостатком данного технического решения является технологическая сложность осуществления намотки ткани с одновременным формированием S-образных перегибов.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является устройство для удержания оборвавшихся лопаток, которое устанавливается на корпусе вентилятора двухконтурного турбореактивного двигателя (RU 2433281, F01D 25/24, 2009). Устройство выполнено в виде чехла и содержит защитную оболочку из волокнистого материала, охватывающую корпус по наружной поверхности. Защитная оболочка выполнена с кольцевыми гофрами из слоев высокопрочной ткани, намотанной и закрепленной на корпусе жгутом. Жгут намотан между гофрами через промежуточный слой легкодеформируемого материала или колец из него, например колец из пористой резины. Кольца образуют в процессе удержания кольцевой зазор между защитной оболочкой и корпусом и местную полость в виде «ловушки» лопатки. Устройство позволяет повысить баллистическую эффективность, демпфирующие свойства и массовые характеристики защитной оболочки и корпуса вентилятора в целом за счет постадийной оптимизации степени поглощения энергии по элементам конструкции корпуса и защитной оболочки.
Недостатком данного технического решения является то, что жгуты, намотанные между гофрами (находящиеся в зоне контакта оборвавшейся лопатки и корпуса) увеличивают окружную жесткость. Такой корпус не обеспечивает эвакуацию оборвавшейся лопатки, а удерживает ее в области ротора с вращающимися лопатками. Взаимодействие оборвавшейся и вращающихся лопаток приводит к повреждениям и разрушениям последних.
В основу полезной модели положено решение следующих задач:
- повышение баллистической эффективности удерживающего устройства;
- снижение или полное исключение разрушения необорвавшихся лопаток.
Поставленные задачи решаются тем, что устройство для удержания оборвавшихся лопаток или их фрагментов в турбореактивном двигателе (ТРД) закреплено на корпусе вентилятора ТРД, содержит бронезащиту, закрепленную на корпусе вентилятора, путем обмотки высокопрочной нитью.
Новым в полезной модели является то, бронезащита выполнена в виде пакета, состоящего из слоев высокопрочной ткани, намотанной на корпус, причем через каждое n-ное число слоев выполнен загиб для обеспечения изменения направления намотки, а обмотка высокопрочной нитью выполнена по противолежащим краям пакета.
Новым также является то, что противолежащие края бронезащитного пакета заворачиваются на обмотку.
Существенным техническим эффектом предложенного устройства является то, что благодаря податливой стенке корпуса движущаяся в радиальном направлении оборвавшаяся лопатка укладывается в «карман» действием следующей за ней целой лопатки. При этом оборвавшаяся лопатка вступает в контакт с корпусом не по площади периферийного сечения, как в начале, а по площади всей профильной поверхности, что существенно снижает действующие на корпус динамические нагрузки и позволяет получить непробиваемое устройство минимальной массы.
Таким образом, решены поставленные в полезной модели задачи: повышена баллистическая эффективность удерживающего устройства при минимальной массе за счет повышения начальной податливости корпуса, приводящей к образованию «кармана» для обеспечения быстрой эвакуации оборвавшейся лопатки из зоны вращения, что позволяет снизить или полностью исключить разрушение необорвавшихся лопаток вращающегося ротора.
Настоящая полезная модель поясняется последующим подробным описанием конструкции устройства для удержания оборвавшихся лопаток и описанием его работы со ссылкой на чертежи, представленные на фиг.1 и 2, где
на фиг.1 изображена схема закрепления бронезащитного пакета;
на фиг.2 изображена схема намотки ткани бронезащитного пакета в кольцевом направлении.
Устройство для удержания оборвавшихся лопаток или их фрагментов в турбореактивном двигателе (ТРД) закреплено на корпусе 1 вентилятора ТРД, содержит бронезащитный пакет 2, закрепленный на корпусе 1 путем обмотки арамидной нитью 3 (см. фиг.1). Бронезащитный пакет 2 состоит из слоев арамидной ткани 4 (см. фиг.2), которая намотана на корпус 1, причем через каждое n-ное число слоев выполнен загиб 5 для обеспечения изменения направления намотки. Концы бронезащитного пакета 2 из арамидной ткани 4 обмотаны арамидной нитью 3. Противолежащие края бронезащитного пакета 2 заворачиваются на обмотку из арамидной нити 3.
Корпус 1 вентилятора ТРД выполнен из легко пробиваемого материала, например из углепластикового материала. При обрыве лопатки 6 корпус 1 пробивается почти без сопротивления, и оборвавшаяся лопатка 6 мгновенно вступает в контакт с бронезащитным пакетом 2. При взаимодействии с лопаткой 6 бронезащитный пакет 2 нелинейно деформируется. Ударная волна, распространяющаяся по волокнам бронезащитного пакета 2, начинает вытягивать ткань 4 из-под кольца из арамидной нити 3. Ткань 4 начинает фрикционно контактировать с арамидной нитью 3, а слои ткани 4 между собой, тем самым постепенно гасится кинетическая энергия лопатки 6, превращая ее в энергию деформирования слоев пакета и энергию взаимодействия арамидной нити 3 с тканью 4 и слоев ткани 4 между собой.
Для снижения жесткости намотки в кольцевом направлении предложена схема намотки бронезащитного пакета 2 (см. фиг.2). При осуществлении кольцевой намотки, через каждое n-ное число слоев (может варьироваться) выполнен загиб 5 для обеспечения изменения направления. Сила трения между слоями варьируется силой натяга намотки. Количество загибов 5 также может варьироваться.
Вовлечение сил трения на осевых концах бронезащитного пакета 2 обеспечивается намоткой арамидной нитью 3 поверх ткани 4 загибом ткани 4 на наружную поверхность намотки. Сила трения на осевых концах регулируется за счет натяга арамидной нити 3 при намотке, увеличения площади контакта намотки и ткани 4 как за счет расширения намотки в осевом направлении, так и формированием нескольких загибов ткани 4 на одной ширине законцовки и реализацией намотки между загнутыми слоями.
Вовлечение сил трения в окружном направлении обеспечивается изменением направления намотки ткани 4. Уровень трения регулируется числом изменения направления намотки, а также силой натяжения слоев при намотке.
Для проверки работоспособности заявляемого устройства проведен эксперимент. Для изготовления модели корпуса с бронезащитным пакетом методом намотки использовался цилиндрический барабан из стеклопластика, имеющий диаметр 335 мм, ширину 220 мм и толщину 10 мм. Предварительно одна торцевая поверхность барабана была подготовлена для его крепления при намотке. В районе другого торца высверлены два отверстия малого диаметра для крепления на испытательном стенде при проведении ударных испытаний и отверстие диаметром 50 мм, которое с наружной стороны закрыто намотанными слоями ткани и в которое попадает метаемый объект - прямоугольная пластина с характеристиками, приведенными ниже. Отверстие предназначено для того, чтобы оценить стойкость на удар непосредственно материала намотки. В диаметрально противоположной стороне этого торца высверлен полукруг, в который входит ствол пневмопушки, обеспечивающий полет метаемого объекта непосредственно в направлении от оси корпуса наружу, имитируя траекторию движения оборвавшейся лопатки.
Бронезащитный слой формировался намоткой на стеклопластиковый барабан ленты органической ткани (артикул 86-130-02) шириной 105 мм, толщиной 0,48 мм, длиной 10 метров (1-ый вариант) и 12 метров (2-ой вариант). Масса ткани составляла 429 гр. для 1-го варианта и 524 гр. для 2-го варианта.
Намотка начиналась на расстоянии b=250 мм от центра отверстия, предназначенного для обеспечения попадания метаемого объекта. Далее, намотав два слоя ткани в зоне отверстия, делался 1-ый загиб на расстоянии h=120 мм (для 1-го варианта) и h=90 мм (для 2-го варианта). Затем, сделав в обратную сторону один оборот, делался 2-ой загиб на том же расстоянии, что и 1-ый загиб. Далее продолжалась обычная кольцевая намотка. В итоге, в зоне отверстия толщина намотки 1-го варианта составила 8,2 мм без сжатия и 3,8 мм со сжатием (11 слоев), 2-го варианта - 10,3 мм без сжатия и 5,4 мм со сжатием (13 слоев). Описанная схема намотки выбрана для того, чтобы обеспечить такой механизм разрушения при ударе, когда в сопротивление удару вовлекается большая часть материала преграды. Это достигается за счет снижения жесткости материала в окружном и кольцевом направлениях.
Метаемый объект представлял собой стальную пластину длиной 40 мм, шириной 15 мм и толщиной 4 мм. Во время разгона в стволе пневматической пушки она удерживалась гильзой из стеклопластика. Вес пули 20,383 гр, вес гильзы 16 гр. Скорость пули при испытании составила 335 м/с (кинетическая энергия 1,144 кДж).
В результате эксперимента установлено, что в гашении энергии удара участвовала почти половина массы материала. Это видно из измененной в результате испытания формы намотки - заметные перемещения всех слоев в осевом направлении (до 4 см в зоне удара с каждой стороны), выпуклости в кольцевом направлении.
Таким образом, предлагаемое устройство для удержания оборвавшихся лопаток или их фрагментов в ТРД позволяет повысить баллистическую эффективность при минимальной массе за счет повышения начальной податливости корпуса, приводящей к образованию «кармана» для обеспечения быстрой эвакуации оборвавшейся лопатки из зоны вращения, что позволяет снизить или полностью исключить разрушение необорвавшихся лопаток вращающегося ротора.