ЛОПАТКА ВЕНТИЛЯТОРА ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ
GAS TURBINE ENGINE FAN BLADE

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к лопаткам вентилятора ГТД (газотурбинного двигателя) с демпфером для гашения вибраций.
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, не существенно (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.
Известна рабочая лопатка вентилятора по А.Св. СССР №1147097, МПК F01D 29/38, опубл. 10.12.2005 г.
Рабочая лопатка вентилятора двухконтурного турбореактивного двигателя, содержит полое перо и расположенный в его полости сотовый наполнитель, отличающаяся тем, что, с целью повышения надежности работы путем улучшения демпфирующих свойств, в ячейках сотового наполнителя размещены грузики.
Лопатка хорошо демпфирует вибронагрузки, но не работоспособна при больших частотах вращения, т.к. не выдерживает большие центробежные нагрузки вследствие большого веса и малого поперечного сечения оболочки.
Известна композитная лопатка вентилятора по патенту РФ на изобретение №2334750, МПК F04D 29/38, опубл. 20.03.2010 г.
Эта композитная лопатка преимущественно для вентиляторов авиационных двигателей, состоит из комля и лопасти, содержащей сердечник, формирующий внутреннюю пространственную геометрию лопатки, внешние и внутренние слои композиционного армированного материала, наложенные на сердечник соответственно с обеих его выпуклой и вогнутой сторон, и формирующие внешнюю геометрию лопатки, сердечник выполнен из двух частей - комлевой части из легкого и жесткого материала, например пенопласта, и лопастной части из прочного жесткого материала, например минералокомпозита, при этом комлевая и лопастные части связаны между собой клеевым соединением.
Недостатки: низкая прочность.
Известна лопатка вентилятора по патенту РФ на изобретение №2269034, МПК F04D 29/38, опубл. 27.01.2006 г.
Лопатка вентилятора содержит металлическую профильную часть, имеющую выемку, расположенную на ее первой стороне и содержащую связанный с ней наполнитель. Выемка содержит множество ячеек, разделенных соответствующими ребрами, которые утоплены в наполнитель.
Недостаток: плохое противодействие лопаток центробежным нагрузкам.
Известна пустотелая широкохордная лопатки вентилятора ГТД по патенту РФ 2296246, МПК FQ4D 29/38.
Предложена конструкции длинной 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 на всех рабочих режимах авиадвигателя, но и повысить ресурс и надежность вентилятора ГТД.
Известна пустотелая широкохордная лопатка вентилятора ГТД по патенту РФ №2626523, МПК F01L 5/26, опубл. 28.07.2017 г., прототип.
Эта пустотелая широкохордная лопатка вентилятора ГТД состоит из оболочки, выполненной из металлического листа (из титанового сплава), и жестко скрепленных с ней силовых несущих элементов: лонжерона, выполненного из титанового сплава, и остальных, выполненных из волокнистого однонаправленного металломатричного высокомодульного композиционного материала.
Недостатки: сложность конструкции и относительно низкие прочность, противодействие ударным нагрузкам и вибропрочность.
Задачи создания изобретения: упрощение конструкции и прочности при ударных нагрузках и вибрационной прочности.
Технический результат: увеличение прочности при ударных нагрузках и вибрационной прочности.
Решение указанных задач достигнуто в лопатке вентилятора газотурбинного двигателя, состоящей из основания, металлической оболочки, образующей корытце, спинку и входную кромку и несущих силовых элементов, установленных в полости внутри металлической оболочки и демпфирующий материал, тем, что она содержит концевую заглушку, с которой жестко соединены несущие силовые элементы, между основанием и концевой заглушкой установлены промежуточные перегородки, через отверстия в которых проходят несущие силовые элементы, а демпфирующий материал размещен в полости между промежуточными перегородками и концевой заглушкой и промежуточной перегородкой и выполнен в виде сот, заполненных полыми алюмосиликатными микросферами, несущий силовой элемент расположенный ближе к входной кромке выполнен в виде металлической трубки, заполненной алюмосиликатными полыми микросферами.
Трубка может быть выполнена эллипсной в поперечном сечении.
В отверстиях промежуточных перегородок могут быть установлены демпферы.
Несущие силовые элементы могут быть смонтированы с предварительным натягом. Несущие силовые элементы могут быть выполнены прямоугольного поперечного сечения. Несущие силовые элементы могут быть выполнены круглого поперечного сечения. Изменение процентного состава титана и алюминия может быть выполнено дискретно. Изменение процентного состава титана и алюминия может быть выполнено непрерывно. Несущие силовые элементы могут быть выполнены прямоугольного поперечного сечения. Несущие силовые элементы могут быть выполнены круглого поперечного сечения.
Сущность изобретения поясняется на фиг. 1-16, где:
- на фиг. 1 приведен общий вид лопатки,
- на фиг. 2 приведен разрез А-А на фиг. 1,
- на фиг. 3 приведен разрез В-В на фиг. 1,
- на фиг. 4 приведен вид С, первый вариант,
- на фиг. 5 приведен вид С, второй вариант,
- на фиг. 6 приведен вид D, первый вариант,
- на фиг. 7 приведен вид D, второй вариант,
- на фиг. 8 приведен силовой каркас с несущими силовыми элементами,
- приведен демпфирующий наполнитель,
- на фиг. 9 приведена сота,
- на фиг. 10 приведена ячейка сот с полыми алюмосиликатными микросферами,
- на фиг. 11 приведен разрез Е-Е, первый вариант,
- на фиг. 12 приведен разрез Е-Е, второй вариант,
- на фиг. 13 приведен элемент промежуточной перегородки, первый вариант,
- на фиг. 14 приведен элемент промежуточной перегородки, второй вариант,
- на фиг. 15 приведен элемент промежуточной перегородки, разрез F-F, первый вариант,
- на фиг. 16 приведен элемент промежуточной перегородки, разрез G-G, второй вариант.
Лопатка вентилятора (фиг. 1 и 2) состоит из металлической оболочки 1, образующей корытце 2, спинку 3 и входную кромку 4 и несущих силовых элементов 5, установленных на основании 6 (замок) в полости 7 внутри металлической оболочки 1.
В полости 7 (фиг. 2) установлены промежуточные перегородки 8, в которых выполнены отверстия 9, через которые проходят несущие силовые элементы 5. Отверстия 9 могут быть выполнены круглыми или прямоугольными. Между промежуточными перегородками 8 и несущими силовыми элементами 5 установлены демпферы 10. Демпферы 10 можно изготовить из металлорезины.
В верхней части лопатки выполнена концевая заглушка 11, например, приварена к металлической оболочке 1 (не показано).
К концевой заглушке 11 жестко присоединены несущие силовые элементы 5 (фиг. 1…5).
При этом передний несущий силовой элемент 12, расположенный ближе к входной кромке 4 выполнен в виде трубки 13, разделенное перегородками 14 на секции 15 и заполненной алюмосиликатными полыми микросферами 16 (фиг. 1).
Если несущие силовые элементы 5 выполнены металлическими, то соединение может быть выполнено сварочным швом 17 (фиг. 5), если - из композиционного материала - клеем 18 (фиг. 4). Передний несущий силовой элемент прикреплен сварочным швом 19.
Промежуточные перегородки 8 могут быть установлены в полости 7 без зазора между их кромками 20 и металлической оболочкой 1 (фиг. 5) или приварены сварочным швом 21.
В варианте (фиг. 5) центрирование и прижатие промежуточных перегородок 8 к металлической оболочке 1 осуществляется центробежной силой Fцб.
Между промежуточными перегородками 8 размещен демпфирующий материал 22 в виде сот 23, заполненных алюмосиликатными полыми микросферами 16 (фиг. 8 и 9).
3
Алюмосиликатные полые микросферы (АСПМ) - стеклокристаллические алюмосиликатные шарики, которые образуются при высокотемпературном факельном сжигании угля. Являются самыми ценными компонентами зольных отходов тепловых электростанций. Представляют собой полые, почти идеальной формы силикатные шарики с гладкой поверхностью, диаметром от 10 до нескольких сотен микрометров, в среднем около 100 мкм. Стенки сплошные непористые с толщиной от 2 до 10 мкм, температура плавления 1400-1500°С, плотность 580-690 кг/м. Внутренняя полость частиц заполнена в основном азотом и диоксидом углерода.
Основание 6 (фиг. 1) выполнено цельнометаллическим и имеет контактный торец 24 для контакта с диском (не показано), внутренние поверхности 25 (относительно газодинамического тракта) и боковые торцы 26.
Несущие силовые элементы 5 содержат внутренние торцы 27, боковые стенки 28 (фиг. 7) и наружные торцы 29.
Металлическая оболочка 1 (фиг. 1) образует, как упомянуто ранее: корытце 2, спинку 3 и входную кромку 4 лопатки. Металлическая оболочка 1 имеет переходный участок 30 для соединения его с основанием 6. Соединение может быть выполнено, например, сварочным швом 31.
Несущие силовые элементы 5 в поперечном сечении могут иметь круглую форму (фиг. 1 и 4) или прямоугольную формы (фиг. 8).
Несущие силовые элементы 5 могут выполнены из стали или титана или композиционных материалов. Установка несущих силовых элементов 5 в промежуточные перегородки 8, если они выполнены круглого поперечного сечения показана на фиг. 4, 6 и 8. Несущие силовые элементы 5 могут быть выполнены прямоугольного поперечного сечения (фиг. 5, 7 и 9).
Полость 7 между несущими силовыми несущими элементами 5 и промежуточными перегородками 8, как сказано ранее, заполнена демпфирующим материалом демпфирующий материал 22 в виде сот 23, заполненных алюмосиликатными полыми микросферами 16, что также способствует противодействию ударных нагрузок.
Силовые несущие элементы 5 могут быть смонтированы с предварительным натягом.
РАБОТА ЛОПАТКИ ВЕНТИЛЯТОРА
При работе лопатки вентилятора в составе ГТД на нее действуют центробежные силы, изгибающие нагрузки и вибрации, которые воспринимают несущие силовые элементы 5.
Демпфирующий материал 22 и демпфера 10 воспринимают вибрационные нагрузки и удары.
Выполнение демпфирующего материала 20 из сот 21 и наполнение сот 23 алюмосиликатными пустотелыми микросферами 16 значительно повысит жесткость лопатки, ее прочность, устойчивость к виброперегрузкам, и температуростойкость, незначительно увеличив их вес.
Лопатки имеют относительно небольшой вес, так как в них применены легкие металлы: титан и алюминий, они выполнены пустотелыми, а полость 7 внутри металлической оболочки 1 заполнена очень легким демпфирующим наполнителем 22 в виде сот 23, заполненных алюмосиликатными пустотелыми микросферами 16, которые имеют очень низкий удельный вес.
Также выполнение переднего несущего силового элемента 12 в виде трубки 13, разделенной перегородками 14 на секции 15, заполненные алюмосиликатными пустотелыми микросферами 16 значительно повысит противодействие лопаток фронтальным ударом посторонних предметов, например птиц в полете.
При ударе, например, попадании посторонних предметов в тракт газотурбинного двигателя, металлическая оболочка 1 не сдеформируется или сдеформируется незначительно, разрушится незначительное количество пустотелых алюмосиликатных микросфер 16 в секциях 15 трубке 13 и/или в сотах 23. Разрушенные алюмосиликатные полые микросферы 15 (стеклянная пыль) останется в пределах нескольких ячеек сотов 23 (фиг. 10), или в одной - двух секциях 15, где они были засыпаны. Трубка 13 расположенная непосредственно около входной кромки 4 воспринимает основной фронтальный удар и вследствие того, что она имеет значительно большее поперечное сечение, чем несущие силовые элементы 5 она противостоит мощному ударе без отрицательных последствий: деформации металлической оболочки, изгиба лопатки, повреждения оболочки 1 и несущих силовых элементов 5 или возникновения дисбаланса ротора вентилятора вследствие изменения формы лопатки и смещения ее центра тяжести.
В результате даже сильный удар не нарушит балансировку ротора с предложенными лопатками. Промежуточные перегородки 8 тоже не позволят перемещаться разрушенным алюмосиликатным пустотелым микросферам 16 в пределах полости 7 под действием гравитационных и центробежных сил.
Применение изобретения позволило:
- противодействовать сильному удару посторонних предметов при работе ГТД, в котором эти лопатки установлены.
- повысить вибрационную прочность лопаток вентилятора за счет схемы установки несущих силовых элементов
- повысить вибрационную прочность за счет заполнения объема между несущих силовых элементов предложенным легким и очень эффективным демпфирующим материалом.
- повысить прочность при действии центробежных сил за счет применения концевой заглушки, с которой жестко связаны силовые несущие элементы и монтажа силовых несущих элементов с предварительным натягом,
- сместить диапазон частот колебаний в область более высоких частот за счет применения концевой заглушки, с которой жестко связаны силовые несущие элементы, монтажа силовых несущих элементов с предварительным натягом и относительно плотного заполнения полости лопатки пустотелыми алюмосиликатными микросферами.
- длительно время сохранить балансировку ротора ГТД, в котором установлены предложенные лопатки.