РАБОЧЕЕ КОЛЕСО КОМПРЕССОРА
COMPRESSOR IMPELLER

Изобретение относится к области машиностроения, точнее к конструкции рабочих колес компрессора из композиционного материала газотурбинного двигателя, преимущественно авиационного.
Известны вентиляторы, содержащие лопатки, подлежащие креплению в ступице ротора, изготовленные из композиционного материала. Основание лопатки содержит металлическое кольцо со средствами для крепления лопатки к ступице (патент РФ №2172434, опубл. 2001 г.). Наиболее близким техническим решением является рабочее колесо компрессора из композиционного материала (патент РФ №2239100, опубл. 2004 г.), содержащее отдельные сектора, объединенные в рабочее колесо несущими силовыми кольцами. Каждый сектор включает одну рабочую лопатку, хвостовая часть (основание) которой выполнена в виде ножки с полками, разделенными пазами под несущие силовые кольца и размещенные в этих пазах. Ширина паза не менее ширины кольца. Лопатки, изготовленные из композиционных материалов, имеют тенденцию к разрушению при высоких скоростях работы и, обусловленном этими скоростями, большом напряжении. Разрушение происходит в основании лопатки, где возникают трещины, т.е. происходит потеря прочности.
В основу изобретения положена задача повышения долговечности и надежности конструкции рабочего колеса компрессора из композиционных материалов.
Технический результат - снижение напряжений во всех элементах рабочего колеса за счет многопараметрической оптимизации напряжений.
Поставленная задача решается тем, что в рабочем колесе компрессора из композиционного материала, содержащем отдельные сектора из композиционного материала, объединенные в рабочее колесо несущими силовыми кольцами из композиционного материала, причем каждый сектор включает одну рабочую лопатку, хвостовая часть которой выполнена в виде ножки с полками, разделенными пазами под несущие силовые кольца и размещенные в этих пазах, геометрия ножки, число несущих силовых колец и размещение пазов по высоте ножки выполнены таким образом, что при работе напряжения во всех элементах рабочего колеса имели бы наименьший уровень, адаптированный к прочности лопатки.
Целесообразно, чтобы рабочее колесо осевого компрессора, выполненное из слоистого композиционного материала на полимерной основе, содержало бы четыре несущих силовых кольца, а криволинейная геометрия ножки и размещение пазов были бы выполнены так, как показано на фиг.1.
В дальнейшем изобретение поясняется описанием и чертежами, на которых: на фиг.1 представлен фрагмент принципиальной конструкции рабочего колеса компрессора, согласно изобретению, в виде сектора с эпюрой распределения напряжений во всех элементах,
на фиг.2 представлен фрагмент базовой конструкции рабочего колеса осевого компрессора в виде сектора с эпюрой распределения напряжений во всех элементах,
на фиг.3 (а-в) и фиг.4 представлены результаты процедуры оптимизации базовой конструкции рабочего колеса с эпюрами распределения напряжений в секторе и несущих силовых колесах (фрагменты).
Интенсивность цвета на всех чертежах соответствует распределению напряжений, соответственно значениям. Наибольшая интенсивность соответствует наиболее высоким значениям.
Рабочее колесо компрессора содержит отдельные сектора 1, выполненные из композиционного материла (фиг.1).
Каждый сектор 1 включает одну рабочую лопатку 2. Хвостовая (опорная) часть лопатки 2 выполнена в виде ножки 3, в верхней части ограниченной поверхностью 4 части диска рабочего колеса.
Ножка 3 имеет криволинейную геометрию, определенную полками 5, причем каждая полка имеет собственную площадь, длину контактной поверхности и толщину ножки в полке, определенные под соответствующее собственное несущее силовое кольцо.
Полки 5 разделены пазами, в каждом из которых размещено соответствующее несущее силовое кольцо (не показаны) из композиционного материала. Каждое несущее силовое кольцо размещено в собственном пазе отдельных секторов и объединяет отдельные сектора в рабочее колесо.
Конструкция рабочего колеса компрессора выбрана модельным экспериментом путем многопараметрической оптимизации напряженности. При этом геометрия ножки, число несущих силовые колец и размещение пазов по высоте ножки выбраны таким образом, что при работе напряжения во всех элементах рабочего колеса имеют наименьший уровень, удовлетворяющий прочности лопатки.
Выбор осуществляют следующим алгоритмическим образом. Конструкцию рабочего колеса с определенным числом несущих силовых колец, принимаемую за базовую, поэтапно оптимизируют. При этом на этапе последовательно изменяют положение одного кольца по длине контактной поверхности с одновременным изменением толщины ножки в полке, определенной под перемещаемое несущее силовое кольцо, или по высоте ножки с одновременным изменением размещения паза, определенного под перемещаемое кольцо, по высоте ножки, рассчитывают напряжения, возникающие при работе во всех элементах рабочего колеса. Полученные напряжения сравнивают с базовыми и анализируют с целью адаптирования к прочности лопатки. Выбранную наиболее адаптированную конструкцию принимают за базовую для последующего этапа.
По полученным выводам может быть принято решение об изменении числа колец с целью дальнейшей минимизации напряжений. При изменении числа колец повторяют этапы оптимизации.
1,д,
φк
гφ,к
г
В качестве параметров оптимизации использовались напряжения - главные напряжения σ в ножке лопатки, кольцевые σ, и межслоевым касательным напряжениям σ в несущих силовых кольцах, а также равномерность радиальных перемещений U в лопаточном сегменте.
Выбор показан ниже на примере рабочего колеса осевого компрессора малоразмерного авиационного двигателя.
Конструкция рабочего колеса состоит из отдельных секторов 1 из композиционного слоистого материала на полимерной основе, которые объединены в рабочее колесо с помощью несущих колец, изготовленных из высокопрочных композиционных материалов.
Рабочие лопатки из композиционных материалов представляют собой конструкцию сложной геометрической формы с неоднородной внутренней структурой. Прямые методы расчета напряженности и оценок прочности являются грубыми по отношению к размерам внутренней неоднородности используемого композиционного материала. В связи с этим критические области, с точки зрения напряженности и прочности исследуемого колеса с рабочими лопатками из композиционных материалов, выбраны модельным экспериментом.
Конструкция рабочего колеса, принятая за исходную базовую, (фиг.2), и имеет сектор 1 рабочего колеса с одной рабочей лопаткой 2, хвостовая часть которой выполнена в виде ножки 3 с тремя специально оформленными полками 5, разделенными пазами под несущие силовые кольца 6, 7, 8 (не показаны). Площадь, длина полок 5, толщина ножки в каждой полке определены под собственное соответствующее несущее силовое кольцо так, как показано на фиг.2. Эта конструкция характеризуется исходным базовым распределением соответствующих напряжений с эпюрой распределения напряжений во всех элементах, показанной также на фиг.2.
На первом этапе оптимизации несущее силовое кольцо 6 последовательно смещали по длине и площади полки, соответствующей этому кольцу, влево на 1 мм и 7 мм и вправо на 1 мм. Толщину ножки в полке под это кольцо 6 соответственно уменьшали на 1 мм и 7 мм и увеличивали на 1 мм. Кольца, обозначенные номерами 7 и 8, оставались на исходном базовом месте положения и геометрия ножки под эти кольца не менялась. Возникающие при смещении напряжения имели эпюры распределения напряжений в секторе 1 и несущих силовых колесах 6, 7, 8. Напряжения сравнивали с исходными базовыми и наибольшие уровни напряжений сводили в таблицу 1. На фиг.3(a), для иллюстрации, представлена эпюра распределения напряжений в секторе и несущих силовых колесах при смещении влево на 1 мм.
Таблица 1
σ<sub>1,д </sub>МПа
σ<sub>гφ,к </sub>МПа
σ<sub>φк </sub>МПа
Базовый вариант
2216
460
2915
Влево на 1 мм
2270
472
2945
Влево на 7 мм
2499
515
3069
Вправо на 1 мм
2125
448
2909
1,д,
φк
гφ,к
Как видно из таблицы 1, наименьшим из полученных уровнем напряжений обладает перемещение вправо на 1 мм, которое дало снижение напряжений - напряжение σ в ножке лопатки снижено с 2216 до 2125, кольцевые σ и межслоевые касательные напряжения σ в несущих силовых кольцах снижены соответственно с 460 до 448 и с 2915 до 2909. Конструкция с полученным наименьшим уровнем напряжений принята за базовую для второго этапа оптимизации.
На втором этапе оптимизации аналогично последовательно смещали несущее силовое кольцо 7 вправо на 2 мм и 4 мм и влево на 1 мм. Толщину ножки в полке под кольцо 7 соответственно увеличивали на 2 мм и 4 мм и уменьшали на 1 мм. Кольца, обозначенные номерами 6 и 8, оставались соответственно на выбранном месте положения по этапу 1 и исходном. Возникающие при смещении напряжения сравнивали с принятыми базовыми для второго этапа. Наибольшие уровни напряжений сведены в таблицу 2. На фиг.3(б) для иллюстрации представлена эпюра распределения напряжений в секторе и несущих силовых кольцах при смещении вправо на 2 мм.
Таблица 2
σ<sub>1,д </sub>МПа
σ<sub>гφ,к </sub>МПа
σ<sub>φк </sub>МПа
Базовый вариант
2125
448
2909
Вправо на 2 мм
1794
468
3132
Вправо на 4 мм
1829
480
3354
Влево на 1 мм
1891
449
2815
1,д
φк
гφ,к
Как видно из таблицы 2, наименьшим из полученных уровнем напряжений обладает перемещение влево на 1 мм, которое дало снижение напряжений - напряжение σ в ножке лопатки снижено с 2125 до 1891, кольцевые σ и межслоевые касательные напряжения σ в несущих силовых кольцах соответственно изменены с 448 до 449 и с 2909 до 2815. Конструкция с полученным наименьшим уровнем напряжений принята за базовую для третьего этапа оптимизации.
На третьем этапе оптимизации аналогично последовательно смещали влево на 2 мм, 5 мм и 7 мм несущее силовое кольцо 8. Толщину ножки в полке под кольцо 8 соответственно уменьшали на 2 мм, 5 мм и 7 мм. Кольца, обозначенные номерами 6 и 7, оставались соответственно на выбранных местах положения по этапу 1 и этапу 2. Возникающие при смещении напряжения сравнивали с принятыми базовыми для третьего этапа. Наибольшие уровни напряжений сведены в таблицу 3. На фиг.3 (в) для иллюстрации представлена эпюра распределения напряжений в секторе и несущих силовых кольцах при смещении влево на 2 мм.
Таблица 3
σ<sub>1,д </sub>МПа
σ<sub>гφ,к </sub>МПа
σ<sub>φк </sub>МПа
Базовый вариант
1891
449
2815
Влево на 2 мм
2063
416
267
Влево на 5 мм
1992
365
2378
Влево на 7 мм
1906
355
2497
Влево на 7 мм
1851
347
2383
1,д
гφ,к
1,д,
Как видно из таблицы 3, наименьшим из полученных уровнем напряжений обладает перемещение влево на 7 мм, которое дало снижение кольцевых σ и межслоевых касательных напряжений σ в несущих силовых кольцах соответственно с 449 до 355 и с 2815 до 2497, но напряжение σ в ножке лопатки увеличилось с 1891 до 1906.
В результате проведенной оптимизации напряжения в лопаточном сегменте были сжижены в 1,2 раза, а в несущих кольцах в 1,3 раза. Однако желаемый для прочности уровень напряжений не был обеспечен.
Поэтому оптимизация была продолжена смещением несущего силового кольца по высоте ножки с одновременным изменением размещения паза, определенного под перемещаемое кольцо, по высоте ножки. Этапы оптимизации выполнены аналогично, как выше изложено. Они дали малое уменьшение уровня напряжений. Желаемый для прочности уровень напряжений не был обеспечен. Поэтому было принято решение об изменении числа колец - увеличении числа колес до четырех. Конструкция рабочего колеса, принятая за исходную базовую, с несущими силовыми кольца 9, 10, 11 и 12 (фиг.4) и эпюрой распределения напряжений представлена на фиг.4. Этапы оптимизации повторены аналогично.
1,д,
В результате проведенной оптимизации уровень напряжения σ понизился до 1405 МПа и стал удовлетворять желаемой прочности.
г
Полученная конструкция лопатки представлена на фиг.1. Напряжения в лопаточном сегменте в 1,3 раза, а в несущих кольцах в 1,7 раза стали ниже, чем в базовом варианте колеса с тремя силовыми колесами. Превосходит базовый вариант с тремя кольцами по всем параметрам. Максимальные радиальные перемещения U стали равномерными, равными 0,89 мм.