Место крепления рабочих лопаток роторов бустера и компрессора авиадвигателей пятого поколения. Ротор бустера и ротор компрессора высокого давления авиадвигателя пятого поколения, с рабочими лопатками, закрепляемыми с помощью замков типа "ласточкин хвост" в кольцевых канавках этих устройств. Способ сборки места крепления рабочих лопаток роторов бустера и компрессора
PLACE OF MOUNTING OF WORKING BLADES OF BOOSTER ROTORS AND COMPRESSOR OF AVIATION ENGINES OF FIFTH GENERATION; BOOSTER ROTOR AND ROTOR OF HIGH PRESSURE COMPRESSOR OF FIRST GENERATION AVIATION ENGINE, WITH WORKING BLADES, FIXED WITH HELP OF SWALLOWTAIL TYPE LOCKS IN RING GROOVES OF THESE DEVICES; METHOD OF ASSEMBLING PLACE OF MOUNTING WORKING BLADES OF BOOSTER ROTORS AND COMPRESSOR

Место крепления рабочих лопаток авиадвигателей пятого поколения
Ротор компрессора низкого давления и ротор компрессора высокого давления авиадвигателя пятого поколения, с рабочими лопатками, закрепляемыми с помощью замков типа «ласточкин хвост» в кольцевых канавках рабочих колес этих устройств
Способ сборки места крепления рабочих лопаток
Группа изобретений относится к области гашения вибраций рабочих лопаток бустера и компрессора авиационных газотурбинных двигателей пятого поколения.
Повышение надежности путем предупреждения усталостных повреждений рабочих лопаток является актуальной задачей современного авиадвигателестроения. Возникновение этих повреждений у находящихся в эксплуатации авиационных ГТД 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 у авиадвигателей в старом «классическом» исполнении за счет конструкционного демпфирования в замковом соединении, и в контакте бандажных или антивибрационных полок для ступеней с этими полками.
Аэродемпфирование и конструкционное демпфирование в замках лопаток и в контакте бандажных полок, если таковые имеются, в вентиляторах, компрессорах и турбинах «классических» поколений авиационных двигателей далеко от оптимальных значений.
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.
Так известен ротор турбомашины [1], 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 n≥10 в пакете максимальное значение коэффициента рассеивания пакета может достигать очень высоких значений Ψ≈4÷5 [7], т.е. эти устройства при должном подборе его параметров способно обеспечить высокий коэффициент рассеивания системе «лопатка - демпфирующее устройство» на наиболее опасных низких формах ее колебаний и, следовательно, эффективное гашение этих колебаний лопаток.
Однако это предложение непригодно для использования его в качестве демпфирующего устройства рабочих лопаток компрессора авиационного ГТД пятого поколения, закрепляемых в кольцевых канавках этих устройств, так как эти лопатки либо вообще не имеют ножек, либо выполняются с низкими ножками.
Известно демпфирующее устройство [3], 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 и в области замкового соединения. Для создания контактного давления используются пружины или другие упругие элементы.
Известно также демпфирующее устройство [4], использующие для создания контактного давления центробежную силу инерции от вращения рабочего колеса элементов конструкции, размещенных внутри пера и замка лопатки, через упругие элементы.
Это устройство принципиально аналогично устройству [3], так как малоподвижный элемент этого устройства прижимается к контактирующим с ним поверхностям лопатки также и центробежной силой.
Рабочие лопатки компрессора авиационных ГТД не выполняют пустотелыми, и эти предложения не пригодны для использования для гашения колебаний этих лопаток.
Известно также устройство демпфирования широкохордых рабочих лопаток вентилятора [5], 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.
Это демпфирующее устройство также непригодно для гашения колебаний рабочих лопаток компрессора авиационного ГТД пятого поколения, закрепляемых в кольцевых канавках этих устройств, так, как уже указывалось, эти лопатки либо вообще не имеют ножек, либо выполняются с низкими ножками.
Можно проанализировать конструкции еще целого ряда известных демпфирующих устройств рабочих лопаток турбомашин, но все они по вышеописанным причинам оказываются непригодными для гашения колебаний рабочих лопаток компрессора авиационного ГТД пятого поколения, закрепляемых в кольцевых канавках ободов рабочих колес, и не могут быть использованы в качестве прототипа предлагаемого изобретения.
Известен трех ступенчатый ротор компрессора авиадвигателя SaM 146 [2], выполненный в виде бочки с тремя кольцевыми выступами на внешней и внутренней поверхности бочки. В каждом кольцевом выступе выполнена профилированная кольцевая канавка с поперечным радиальным сечением, ответным замку рабочей лопатки типа «ласточкин хвост». Рабочие лопатки своими замками вставлены в эти канавки и выполнены с платформами, которыми лопатки упираются друг в друга, и которые вместе с перьями лопаток организуют каналы обтекания этих лопаток. Ротор компрессора жестко соединен с ротором вентилятора. Четыре лопатки на каждой из ступеней (пары этих лопаток расположены диаметрально противоположно) имеют специальные вырезы в платформе под два замка.
Известен также шести ступенчатый ротор КВД авиадвигателя SaM 146 [2], состоящий из следующих элементов: лопатки КВД; блиски первой и второй ступеней КВД; рабочее колесо КВД; диск с лабиринтным уплотнением.
Первая и вторая ступени ротора КВД выполнены по технологии "Blisk".
Блиск КВД является фрезерованной из единой заготовки деталью, совмещающей рабочее колесо, комплект лопаток, лабиринтные уплотнения и вал КВД. Блиск первой ступени ротора КВД соединен вместе с блиском второй ступени ротора КВД и рабочим колесом с третьей по шестую ступень ротора КВД при помощи болтов. На валу блиска второй ступени КВД выполнены шлицевые пазы для соединения с задней частью вала вентилятора. Блиски первой и второй ступеней ротора КВД выполнены из титанового сплава. Лопатки третьей ступени ротора КВД устанавливаются на рабочее колесо КВД при помощи паза «ласточкин хвост». Лопатки третьей ступени ротора КВД поджаты в осевом направлении упорным кольцом, прикрепленным к передней поверхности паза ласточкин хвост при помощи болтов. Лопатки третьей ступени ротора КВД выполнены из титанового сплава. Упорное кольцо выполнено из никелевого сплава. Лопатки с четвертой по шестую ступеней ротора КВД устанавливаются на рабочее колесо ротора КВД при помощи профилированной кольцевой канавки. Платформы лопаток с четвертой по шестую ступеней КВД плотно прилегают друг к другу, обеспечивая надежную фиксацию лопаток в тангенциальном направлении. Четыре лопатки на каждой из ступеней (с 4 по 6 ступень) КВД имеют специальные вырезы в платформе под два замка. Лопатки с четвертой по шестую ступень КВД выполнены из никелевого сплава. К переднему фланцу рабочего колеса КВД крепятся оба блиска КВД. Задний фланец рабочего колеса КВД крепится к диску с лабиринтным уплотнением при помощи болтов. На рабочем колесе КВД выполнено 70 пазов ласточкин хвост под лопатки третей ступени ротора КВД, а также три профилированные кольцевые канавки для крепления лопаток четвертой, пятой и шестой ступеней КВД. Также на рабочем колесе КВД имеются четыре лабиринтных уплотнения, для герметизации сочленения с вкладышами истираемого уплотнения и сотового уплотнения статора КВД. Рабочее колесо КВД изготовлено из никелевого сплава в виде бочки, выполненной заодно целое с дисками. Диск с лабиринтным уплотнением крепится вместе с бочкой ротора ТНД к заднему фланцу рабочего колеса КВД при помощи болтов. На диске выполнены зубья лабиринтного уплотнения, обеспечивающие герметизацию сочленения с опорой уплотнения корпуса камеры сгорания. Диск с лабиринтным уплотнением выполнен из никелевого сплава.
Преимуществами этих конструкций роторов, например, по сравнению с аналогичными роторами авиадвигателей четвертого поколения с «классическими» рабочими колесами, соединенными болтами в барабанно дисковые конструкции, с рабочими лопатками, установленными в пазы «ласточкин хвост» этих колес, является значительное уменьшение количества деталей и массы этих конструкций и, как следствие этого, улучшение эксплуатационных характеристик двигателя: снижение удельного расхода топлива, повышение удельной тяги двигателя.
К числу недостатков этих конструкций в случае, когда конструктор сталкивается с необходимостью постановки в конструкцию демпфирующих устройств для гашения колебаний рабочих лопаток, является отсутствие разработанных конструкций этих демпфирующих устройств, пригодных для гашения колебаний рабочих лопаток блисков и рабочих лопаток с замками «ласточкин хвост», установленных в кольцевые канавки рабочего колеса.
Заметим, что вывод об отсутствии таких устройств нами сделан на основании того, что нами не обнаружено опубликованных материалов, где бы описывались эти устройства. Вполне возможно, что их просто не успели разработать.
Поэтому место крепления рабочих лопаток в кольцевых канавках ступеней роторов КНД и КВД авиадвигателя SaM 146, как наиболее близкое по технической сущности к предлагаемому, принято за прототип.
По этой же причине за прототипы приняты роторы КНД и КВД авиадвигателя SaM 146.
В настоящее время, по нашему мнению, в области конструкционного демпфирования накоплены знания, достаточные для разработки высоко эффективных специальных демпфирующих устройств для гашения колебаний рабочих лопаток турбомашин, и разработаны редакторы, позволяющие численными методами, например, методом конечных элементов (МКЭ) решать динамические задачи сложных механических систем, достаточно точно моделирующих узлы турбомашин с этими демпфирующими устройствами.
Следовательно, появилась возможность замены дорогостоящего натурного эксперимента по исследованию динамики облапаченного диска со специальными демпфирующими устройствами для гашения колебаний системы «диск - рабочие лопатки» виртуальным экспериментом, проводимым на ЭВМ, и определения оптимальных настроек этих устройств, а точнее оптимальных настроек системы «рабочая лопатка - демпфирующее устройство», расчетным путем.
Это обстоятельство обновляет и существенно повышает интерес к проблеме демпфирования рабочих лопаток турбомашин.
Отметим, что в известных патентах, как правило, ограничились весьма общей формулировкой цели решаемой задачи, например, «повышение эффективности демпфирования лопаток» [1] или «повышение надежности демпфирования и предупреждения усталостных повреждений широкохордных лопаток вентилятора [5]».
Сформулируем решаемую здесь задачу в более конкретной форме, по возможности сблизив ее с формулировкой задачи, которую мы решали бы при проведении виртуального эксперимента по исследованию вынужденных колебаний системы «фрагмент места крепления лопаток -  рабочая лопатка - демпфирующее устройство».
Хотя при выполнении виртуального эксперимента задача о вынужденных колебаниях этой системы методом МКЭ решается в размерных параметрах при определении оптимальной настройки демпфирующего устройства лучше перейти в критериальные координаты, и, определив эту настройку, определить затем размерные параметры демпфирующего устройства, соответствующие этой настройке.
Заметим, что в работе [7] исследованы упругофрикционные характеристики (УФХ) аналогов, близких предлагаемым демпфирующим устройствам и на примере решения задачи о вынужденных колебаниях системы с распределенными параметрами с упругодемпферной опорой (УДО) с конструкционным демпфированием (трубопровода с промежуточной УДО в виде многослойного пакета пластин, сжатых равномерно распределенной нагрузкой) разработана методика определения оптимальной начальной настройки УДО, обеспечивающей прочность системы и УДО на всех рабочих режимах работы двигателя в течение ресурса работы системы, и параметров УДО, обеспечивающих эту настройку УДО при предельно допустимой амплитуде равнодействующей возбуждающих сил или при кинематическом возбуждении системы при предельно допустимой для авиационных ГТД норме скорости колебания основания (корпуса), на котором своими опорами закреплена система.
mах
mах
mах
max
Т
Т
0
0
*
*
В работе [7] в отличие от других работ, где рассмотрены вынужденные колебания систем с распределенными параметрами с сосредоточенным конструкционным демпфированием, и где в качестве оптимальной настройки УДО принят минимум зависимости максимального резонансного напряжения системы σ от среднециклической жесткости УДО, построенной для самой опасной формы колебаний системы с УДО в рабочем диапазоне частот двигателя, оптимальная настройка УДО определяется по зависимостям σ(β), построенным для каждой из опасных форм колебаний системы в рабочем диапазоне частот (оборотов двигателя) при максимально допустимой по норме стандарта для авиадвигателей амплитуде виброскорости возбуждения для различных значений относительной жесткости УДО К, равной отношению среднециклической жесткости УДО к жесткости трубопровода, которая в свою очередь зависит от граничных условий, длины пролета, изгибной жесткости трубопровода EI и частотного коэффициента, определяемого из частотного уравнения системы «трубоповод - УДО». Здесь σ=σ/σ - относительное максимальное резонансное напряжение системы (трубопровода), σ - предел текучести материала трубопровода, β=P/T - относительная амплитуда возбуждающей силы («настройка УДО»), действующей на систему, Р - амплитуда возбуждающей силы, рассчитанная для максимально допустимой виброскорости возбуждения, Т - обобщенная сила трения, определяемая как половина отрезка, отсекаемого на оси ординат поля упругогистерезисных петель УДО, построенного в координатах αР - Y с началом координат в ненагруженном состоянии УДО процессами нагружения с наименьшей жесткостью (процессами нагружения полностью расслоенной УДО). Здесь α - коэффициент нагрузки (-1≤α≤1), Р - амплитуда циклической силы, действующей на УДО, и Y - деформация УДО.
mах
max
max
*
*
*
Зависимости σ(β) имеют минимум. Но настройка УДО, соответствующая этому минимуму, для ряда практически важных значений относительной жесткости К располагается в недопустимой близости к неустойчивой зоне зависимости σ(β), и изменение настройки УДО β в этой области всего на 10% ведет к недопустимому изменению параметра σ.
Из-за износа контактных поверхностей УДО и релаксации ее упругих элементов, создающих сдавливающую нагрузку, динамично изменяемым в разы в течение ресурса работы авиадвигателя у рассматриваемой системы является произведение параметров μ⋅р. Здесь μ - коэффициент трения скольжения на контактных поверхностях УДО, р - нагрузка, сдавливающая контактирующие элементы УДО.
По классификации систем конструкционного демпфирования, предложенной в работе [23], рассматриваемое УДО относится к классу систем конструкционного демпфирования с неизменяемыми за цикл нагружения силами трения на контактных поверхностях с постоянной жесткостью системы при мыслимом уничтожении сил трения в ней. Как показано в этой работе, у этого класса систем конструкционного демпфирования коэффициент трения скольжения μ не входит в число независимых критериев подобия, а величина обобщенной силы трения Т прямо пропорционально произведению μ⋅р.
Следовательно, в течение ресурса работы двигателя настройка УДО β может изменяться в разы, так как коэффициент трения μ может измениться, например, с 0,16 до 0,3 и более, а сдавливающая нагрузка р вследствие релаксации упадет не намного, т.е. во многих практически важных случаях произведение μ⋅р в течение наработки изменится меньше или немного больше, чем в два раза.
mах
mах
max
*
*
*
В работе показано, что зависимости σ(β) имеют достаточно широкую область настроек β, в которой параметр σ меняется мало с изменением настройки β, и, где для всех рабочих значений относительной жесткости К σ<1. Причем в этой области β может измениться существенно больше, чем в два раза.
mах
0
mах
0
0
mах
*
*
*
Такой характер зависимостей σ(β) позволяет таким образом выбрать оптимальную (начальную) настройку β УДО, что конечная настройка (настройка в конце ресурса работы системы или турбомашины) попадет в указанную область зависимостей σ(β), а сама оптимальная настройка β будет расположена на безопасном расстоянии от границы неустойчивой зоны этих зависимостей. Следовательно, при таком выборе настроек УДО будет обеспечена прочность системы (трубопровода) в течение всего ресурса работы системы или турбомашины. Заметим, что оптимальная настройка β сдвинута относительно настройки, соответствующей минимуму зависимости σ(β) внутрь указанной области.
Размерные параметры УДО определяются по двум этим настройкам при максимально допустимой по норме стандарта для авиадвигателей амплитуде виброскорости возбуждения и этот способ проведения виртуального эксперимента в работе [7] назван «Метод расчета параметров системы трубопровод - УДО по двум настройкам».
max
mах
max
max
-1
mах
mах
-1
з
mах
mах
-1
з
0
*
*
*
*
*
Конечно, диск и рабочие лопатки нагружаются и деформируются значительно сложнее, чем прямой трубопровод с УДО. Так рабочая лопатка испытывает самый общий поперечный изгиб с растяжением и кручением, температурные напряжения. Но ниже предлагаемые демпфирующие устройства также являются промежуточными УДО с конструкционным демпфированием с наиболее динамично изменяемым в процессе наработки параметром μ⋅р, а зависимости σ(β) имеют тот же самый качественный характер, но, естественно, строятся для различных безразмерных параметров, характеризующих геометрию и размеры лопатки, ее материал и условия работы, которые описывать не будем. Правда при исследовании прочности рабочих лопаток в качестве параметра σ выбирается параметр σ=σ/σ, или σ=σ/(σ⋅n), где σ - главное растягивающее напряжение у наиболее напряженной лопатки пакета на наиболее опасных низших формах ее колебаний (зависимости σ(β) строятся для каждой из этих форм) в опасном сечении лопатки, в точке сечения, где это напряжение максимально, σ - для лопаток компрессора предел прочности при многоцикловом нагружении материала лопатки при ее максимальной рабочей температуре и n - коэффициент запаса прочности лопатки. Кроме того, для обеспечения выбранной начальной настройки β во многих случаях потребуется виртуальное определение процесса нагружения демпфирующего устройства при его сборке в изделие.
Ставится задача разработки мест крепления рабочих лопаток в кольцевых канавках роторов компрессора авиадвигателя пятого поколения, обеспечивающих надежность крепления и оптимальное демпфирование лопаток на всех опасных низких формах колебаний, у которых оптимальная и конечная настройки системы «фрагмент места крепления лопаток - рабочая лопатка - демпфирующее устройство» и размерные параметры демпфирующего устройства предпочтительно определяются из виртуального эксперимента, причем конструкция демпфирующих устройств при постановке их на рабочие колеса не должна неприемлемо ухудшать массовую характеристику колеса и снижать его кпд.
Поставленная задача решается тем, что предлагается место крепления рабочих лопаток авиадвигателей пятого поколения, выполненное в виде кольцевого выступа на внешней и внутренней поверхности бочки ротора бустера или бочки рабочего колеса ротора компрессора, в котором выполнена кольцевая профилированная канавка со стороны внешней поверхности бочки, в которой замками «ласточкин хвост» закреплены рабочие лопатки с платформами, в кольцевой канавке в двух диаметрально противоположных местах выполнены две выемки с такими шириной и длиной в тангенциальном направлении, чтобы в ней свободно мог разместиться замок лопатки, с глубиной, равной глубине кольцевой канавки, и в выемках и вырезах в платформах закреплены замки, ограничивающие смещение лопаток в тангенциальном направлении, причем наружный диаметр рабочего колеса, измеренный по замкам, равен наружному диаметру, измеренному по платформам лопаток, отличающееся тем, что кольцевая профилированная канавка выполнена с коническим дном, причем ось конической поверхности дна совпадает с продольной осью ротора бустера или компрессора, а угол при вершине этого конуса выбран из условия создания требуемой величины натяга между замками лопаток и упругогистерезисным элементом, на который они опираются, и радиальное поперечное сечение кольцевой профилированной канавки имеет форму «ласточкиного хвоста», соединенного в основании с горизонтально расположенной трапецией с вертикальными основаниями, причем высота трапеции, по которой она соединена с фигурой «ласточкин хвост», равна в мм
а
где с - величина большего основания «ласточкина хвоста» в мм, b - величина меньшего основания «ласточкина хвоста» в мм и  - глубина кольцевой технологической канавки в одной из боковых стенок выступа, измеренная в направлении оси ротора в мм, равная
где δ - величина натяга в мм между замками лопаток и упругогистерезисным элементом, ϕ - угол при вершине конуса внутренней поверхности промежуточной проставки, и высота кольцевой технологической канавки, измеренная в радиальном поперечном сечении, равна в мм
h=δ+Н+0÷0,2,
э
где Н - наибольшая высота поперечного радиального сечения кольцевой промежуточной проставки, и кольцевая промежуточная проставка выполнена из двух диаметрально противоположно расположенных полуколец с наружной цилиндрической поверхностью, с поперечным радиальным сечением в виде трапеции - усеченного клина, с наибольшей высотой Н, шириной, равной или меньшей ширины большего основания «ласточкиного хвоста» кольцевой профилированной канавки, и углом наклона клина - половиной угла конуса клина, равной  на торце с меньшей толщиной каждого полукольца у его концов выполнены две полукруглых технологических выемки или три таких выемки, в этом случае одна из выемок находится в средней части полукольца, и кольцевая промежуточная проставка установлена на дно кольцевой профилированной канавки таким образом, что ее торец с полукруглыми выемками контактирует с боковой стороной выступа места крепления лопаток, в которой нет технологической канавки, на промежуточную проставку установлена жесткая, гофрированная лента-ограничитель, выполненная из двух полуколец, изготовленных из каленой или нагартованной, шлифованной ленты из жаропрочной или жаростойкой нержавеющей стали, причем параметры ленты, ее толщина, подобраны так, чтобы жесткость каждого гофра ленты в окружном направлении была такой, чтобы под действием максимально возможной нагрузки, действующей на лопатку в окружном направлении, деформация гофра в этом направлении не превышала 0,1÷0,15 мм, и стрела выгиба гофра была равна или больше ƒ=0.8, 1 мм, между лентой-ограничителем, и замками рабочих лопаток с радиальным натягом δ установлен кольцевой упругогистерезисный элемент, выполненный из одной гофрированной или двух и более гофрированных лент, собранных «гофр в гофр», изготовленных из каленой или нагартованной, шлифованной ленты из жаропрочной или жаростойкой нержавеющей стали, таким образом, что вершины его гофров опираются на впадины ленты-ограничителя, причем параметры лент упругогистерезисного элемента подобраны следующим образом: ширина, измеренная в направлении продольной оси ротора, равна или меньше ширины меньшего основания «ласточкиного хвоста» кольцевой профилированной канавки, шаг гофров равен шагу гофров ленты-ограничителя и такой, что на замок лопатки опирается одна, две или более вершин гофров и стрела выгиба гофров до сборки равна ƒ=ƒ+δ+0,1÷0,25 мм, и геометрия гофров выбрана такой, что в собранном месте максимальное значение зазора между склонами гофров упругогистерезисного элемента и ленты-ограничителя не превышала 0,2 мм, а предпочтительная величина натяга δ по вершинам гофров, на которые опирается замок лопатки, была такой, чтобы обеспечивалась надежная упругая фиксация лопатки в окружном направлении, и предпочтительно равнялась δ=0,8÷1 мм и более, и концы замков лопаток скошены таким образом, что лопатка скошенными частями замка опирается на склоны гофров и натяг по вершинам этих двух гофров δ=0, а упругогистерезисный элемент составлен из двух и более частей кольца, равнорасположенных по окружности, и между концами этих частей, и концами этих частей и обоими замками в окружном направлении имеются зазоры, величина которых либо равна нулю, либо меньше половины допустимой суммарной величины относительных рабочих смещений концов этой части кольца, и равна 0,2÷0,5 мм, или упругогистерезисный элемент выполнен из одной части и либо оба замка с натягом δ опираются на упругогистерезисный элемент, либо только один из замков, и между наружной поверхностью выступов бочки и платформой каждой лопатки, а также между торцами платформ соседних лопаток и ответными торцами платформ лопаток и замков имеются зазоры, величина которых ограничена величинами допустимых смещений лопатки под действием статических и динамических рабочих нагрузок, и оба замка своим дном, имеющим форму дна кольцевой канавки, упираются в ее дно, и между замками и концами полуколец промежуточной проставки и ленты-ограничителя зазоры либо равны нулю, либо меньше половины относительного максимального температурного удлинения этих деталей, и в боковой стенке с технологической канавкой выступа места крепления рабочих лопаток выполнено четыре или шесть отверстий, выходящих в канавку, из которых два расположены в районах расположения концов полуколец промежуточной проставки, а при выполнении шести отверстий еще по одному в районе средней части каждого полукольца, и в эти отверстия завернуты нажимные винты до упора в кольцевую промежуточную проставку, или эти отверстия выполнены гладкими и в них до упора в кольцевую промежуточную проставку запрессованы заглушки, причем между боковой стороной упругогистерезисного элемента и торцами заглушек или нажимных винтов имеется зазор, равный 0,1÷0,15 мм, а само место крепления рабочих лопаток собрано таким же образом, как и место крепления рабочих лопаток по п. 10 формулы изобретения, и все трущиеся поверхности деталей предлагаемого места крепления покрыты износостойким покрытием, а оптимальная и предельная настройки системы «фрагмент места крепления лопатки - лопатка - демпфирующее устройство» и размерные параметры упругогистерезисного элемента определяются из виртуального эксперимента.
Предлагается также место крепления рабочих лопаток авиадвигателей пятого поколения, выполненное в виде кольцевого выступа на внешней и внутренней поверхности бочки рабочего колеса, в котором выполнена кольцевая профилированная канавка со стороны внешней поверхности бочки, в которой замками «ласточкин хвост» закреплены рабочие лопатки с платформами, в кольцевой канавке в двух диаметрально противоположных местах выполнены две выемки с такими шириной и длиной в тангенциальном направлении, чтобы в ней свободно мог разместиться замок лопатки, с прямоугольным поперечным радиальным сечением с глубиной, равной глубине кольцевой канавки, и в выемках и вырезах в платформах закреплены замки, ограничивающие смещение лопаток в тангенциальном направлении, причем наружный диаметр рабочего колеса, измеренный по замкам, равен наружному диаметру, измеренному по платформам лопаток, отличающееся тем, что кольцевая профилированная канавка выполнена с цилиндрическим дном, причем ось цилиндрической поверхности дна совпадает с продольной осью ротора, и радиальное поперечное сечение кольцевой профилированной канавки имеет форму «ласточкиного хвоста», соединенного в основании с прямоугольником с вертикальными боковыми стенками, причем большая сторона прямоугольника, по которой он соединен с фигурой «ласточкин хвост», равна в мм
а
где с - величина большего основания «ласточкина хвоста» в мм, b - величина меньшего основания «ласточкина хвоста» в мм и  - глубина кольцевой технологической канавки в одной из боковых стенок выступа в направлении оси ротора в мм, равная
где δ - величина натяга в мм между замками лопаток и упругогистерезисным элементом, ϕ - угол при вершине конуса внутренней поверхности промежуточных проставок, и высота кольцевой технологической канавки, измеренная в радиальном поперечном сечении, равна в мм
h=Н+0÷0,2,
э
где Н - наибольшая высота поперечного радиального сечения кольцевой промежуточной проставки, и каждая из двух кольцевых промежуточных проставок выполнена из двух диаметрально противоположно расположенных полуколец с поперечным радиальным сечением в виде трапеции - усеченного клина, с наибольшей высотой Н, шириной, равной или меньшей ширины меньшего основания «ласточкиного хвоста» кольцевой профилированной канавки, и углом наклона клина - половиной угла конуса клина, равной  промежуточные проставки так установлены на дно кольцевой профилированной канавки, что их поперечное радиальное сечение образует прямоугольник, и у промежуточной проставки, устанавливаемой на дно кольцевой профилированной канавки, на торце с меньшей толщиной каждого полукольца у его концов выполнены две полукруглых технологических выемки или три таких выемки, в этом случае одна из выемок находится в средней части полукольца, и кольцевая промежуточная проставка установлена на дно кольцевой профилированной канавки таким образом, что ее торец с полукруглыми выемками контактирует с боковой стороной выступа места крепления лопаток, в которой нет технологической канавки, на промежуточные проставки установлена жесткая, гофрированная лента-ограничитель, выполненная из двух полуколец, изготовленных из каленой или нагартованной, шлифованной ленты из жаропрочной или жаростойкой нержавеющей стали, причем параметры ленты, ее толщина, подобраны так, чтобы жесткость каждого гофра ленты в окружном направлении была такой, чтобы под действием максимально возможной нагрузки, действующей на лопатку в окружном направлении, деформация гофра в этом направлении не превышала 0,1÷0,15 мм, и стрела выгиба гофра была равна ƒ=0.8÷1,0 мм или больше этой величины, между лентой-ограничителем и замками рабочих лопаток с радиальным натягом δ установлен кольцевой упругогистерезисный элемент, выполненный из одной гофрированной или двух и более гофрированных лент, собранных «гофр в гофр», изготовленных из каленой или нагартованной, шлифованной ленты из жаропрочной или жаростойкой нержавеющей стали, таким образом, что вершины его гофров опираются на впадины ленты-ограничителя, причем параметры лент упругогистерезисного элемента подобраны следующим образом: ширина, измеренная в направлении продольной оси ротора, равна или меньше ширины меньшего основания «ласточкиного хвоста» кольцевой профилированной канавки, шаг гофров равен шагу гофров ленты-ограничителя и такой, что на замок лопатки опирается одна, две или более вершин гофров и стрела выгиба гофров до сборки равна ƒ=ƒ+δ+0,1÷0,25 мм, и геометрия гофров выбрана такой, что в собранном месте максимальное значение зазора между склонами гофров упругогистерезисного элемента и ленты-ограничителя не превышала 0,2 мм, а предпочтительная величина натяга δ по вершинам гофров, на которые опирается замок лопатки, была такой, чтобы обеспечивалась надежная упругая фиксация лопатки в окружном направлении, и предпочтительно равнялась δ=0,8÷1 мм и более, и концы замков лопаток скошены таким образом, что лопатка скошенными частями замка опирается на склоны гофров и натяг по вершинам этих двух гофров δ=0, а упругогистерезисный элемент составлен из двух и более частей кольца, равнорасположенных по окружности, и между концами этих частей, и концами этих частей и обоими замками в окружном направлении имеются зазоры, величина которых либо равна нулю, либо меньше половины допустимой суммарной величины относительных рабочих смещений концов этой части кольца, и равна 0,2÷0,5 мм, или упругогистерезисный элемент выполнен из одной части и либо оба замка с натягом δ опираются на упругогистерезисный элемент, либо только один из замков, и между наружной поверхностью выступов бочки и платформой каждой лопатки, а также между торцами платформ соседних лопаток и ответными торцами платформ лопаток и замков имеются зазоры, величина которых ограничена величинами допустимых смещений лопатки под действием статических и динамических рабочих нагрузок, и оба замка своим дном, имеющим форму дна кольцевой канавки, упираются в ее дно, и между замками и концами полуколец промежуточной проставки и ленты-ограничителя зазоры либо равны нулю, либо меньше половины относительного максимального температурного удлинения этих деталей, и в боковой стенке с технологической канавкой выступа места крепления рабочих лопаток выполнено четыре или шесть отверстий, выходящих в канавку, из которых два расположены в районах расположения концов полуколец промежуточной проставки, опирающейся на дно кольцевой профилированной канавки, а при выполнении шести отверстий еще по одному в районе средней части каждого полукольца, и в эти отверстия завернуты нажимные винты до упора в кольцевую промежуточную проставку, или эти отверстия выполнены гладкими и в них до упора в кольцевую промежуточную проставку запрессованы заглушки, причем между боковой стороной упругогистерезисного элемента и торцами заглушек или нажимных винтов имеется зазор, равный 0,1÷0,15 мм, а само место крепления рабочих лопаток собрано таким же образом, как и место крепления рабочих лопаток по п. 10 формулы изобретения, и все трущиеся поверхности деталей предлагаемого места крепления покрыты износостойким покрытием, а оптимальная и предельная настройки системы «фрагмент места крепления лопатки - лопатка - демпфирующее устройство» и размерные параметры упругогистерезисного элемента определяются из виртуального эксперимента.
Под относительными рабочими смещениями в окружном направлении деталей, опирающихся на дно кольцевой канавки, здесь понимается величина смещения упругогистерезисного элемента в любом радиальном сечении относительно ленты-ограничителя под действием рабочих статических газовой и центробежных нагрузок, динамических нагрузок и температурного удлинения упругогистерезисного элемента, обусловленного разностью величин коэффициентов температурного удлинения материалов этих деталей.
Бочку компрессора низкого давления изготавливают из титанового сплава, а промежуточная проставка и лента-ограничитель изготавливаются из закаливаемой или нагартованной ленты из нержавеющей стали, и коэффициент теплового линейного удлинения титана меньше этого коэффициента нержавеющей стали. Под относительным температурным удлинением детали понимается разница между температурным удлинением полукольца детали и половины дна кольцевой канавки.
Как известно [6], демпфирование в замковом соединении «ласточкин хвост» лопаток третьей ступени на небольших оборотах ротора (2000÷5000 об/ мин) невелико, а на больших оборотах (7000 и более) практически равно нулю из-за заклинивания под действием больших центробежных сил замка лопатки в пазу диска и регулирование демпфирующих характеристик этого соединения возможно только в узком диапазоне и не продуктивно.
В предлагаемой конструкции, хотя и применено крепление лопаток типа «ласточкин хвост», но исключено заклинивание замков лопаток под действием центробежных сил в кольцевой профилированной канавке на всех рабочих режимах двигателя. Это объясняется тем, что в этой конструкции действие постоянных газовых сил на всех режимах уравновешено действием сил сухого трения, действующими на замок лопатки, и реактивными силами упругогистерезисного элемента, или же суммарное действие этих сил превышает действие постоянных газовых сил, но на величину, всегда преодолимую динамическими силами, действующими на лопатку.
Следовательно, на всех режимах работы двигателя в предлагаемой конструкции при колебаниях лопатки будет происходить циклическое нагружение гофров кольцевого упругогистерезисного элемента, на вершины которых опирается замок лопатки и гофров, расположенных под платформами лопаток, на склоны которых также опирается замок, лопатка упруго подвешена. Это утверждение справедливо еще и потому, что при качании лопатки в окружном направлении под действием моментов действующих на нее сил даже при ничтожно малом повороте, при котором на большой части длины замка лопатки обнуляется натяг по боковым сторонам замка лопатки и, следовательно, на этой части боковых сторон замка лопатки силы трения становятся равными нулю, а при ничтожно малых повороте и радиальном смещении к оси ротора силы трения на боковых сторонах замка лопатки становятся равными нулю. Здесь под ничтожно малым поворотом и радиальным смещением лопатки понимается поворот, при котором меньшее радиальное смещение лопатки к центру ротора, определенное на большой части замка лопатки, равно наибольшей деформации замка лопатки в радиальном направлении под действием центробежной силы и реактивной силы упругогистерезисного элемента, действующей на замок лопатки в момент преодоления сил трения на боковых сторонах замка, а под ничтожно малым радиальным смещением лопатки понимается радиальное смещение лопатки, равное указанной наибольшей деформации. Качественный характер петли гистерезиса, получаемой при циклическом нагружении рабочей лопатки в поле центробежных сил предлагаемого места крепления описан ниже.
Заметим, что описанный феномен присущ предлагаемой конструкции места крепления и отсутствует у прототипа, является новым и нигде ранее не описан. Именно он является физической основой нашего предложения и позволил предложить место крепления рабочих лопаток бустера и компрессора с высокоэффективным демпфирующим устройством.
Максимальная величина зазора между склоном гофра, контактирующего со скошенной поверхностью замка лопатки, и ответным склоном гофра ленты-ограничителя и жесткость гофра ленты-ограничителя в окружном направлении выбраны так, чтобы при выборе этого зазора и смещении гофров этой ленты в окружном направлении под действием максимально возможной нагрузки, действующей на лопатки в этом направлении, не происходила влияющая на рабочие режимы турбомашины разбалансировка ротора.
В предлагаемых конструкциях места крепления лопатки в случае проскальзывания их замков по боковым сторонам «ласточкиного хвоста» кольцевой профилированной канавки могут колебаться только с увеличением натяга как по вершинам гофров, на которые опирается замок своим дном, так и по склону того из гофров, на которые замок опирается скошенными частями, в направлении которого происходит смещение лопатки, или по склонам обоих этих гофров. Следовательно, при колебании лопатки ее замок не может выйти из пространства, ограниченного гофрами, на которые он опирается. Зазор между концом упругогистерезисного элемента и замком, закрепленным выемке кольцевой профилированной канавки, выбирается при допустимых упругих смещениях лопатки. Поэтому для недопустимого смещения лопатки, как твердого тела в окружном направлении, она должна смять гофр, на склон которого она опирается. При этом при допустимой величине этого смещения зазор между ответными склонами гофров упругогистерезисного элемента и лентой-ограничителем полностью выберется, а жесткость в окружном направлении образовавшейся системы выполнена такой, что исключается возможность смятия этих гофров при нормальных условиях эксплуатации двигателя, чем и обеспечивается надежность упругой фиксации лопатки также и в окружном направлении.
Упругодемпфирующие характеристики (УДХ) системы «место крепления - рабочие лопатки» можно изменять в широких пределах, изменяя параметры упругогистерезисного элемента. Причем ширина диапазона изменения УДХ ниже предлагаемых мест крепления рабочих лопаток такова, что в большинстве практических случаев начальная оптимальная настройка этой системы и ее конечная настройка, обеспечивающая требуемый ресурс работы системы, лежат в этом диапазоне.
С целью обеспечения более надежной фиксации от смещений в окружном направлении как твердого тела промежуточной проставки (или проставок), ленты-ограничителя и кольцевого упругогистерезисного элемента и расширения диапазона практически применяемых натягов δ в сторону их уменьшения предлагается место крепления рабочих лопаток роторов бустера и компрессора авиадвигателей пятого поколения, отличающееся тем, что полукольца промежуточной проставки или проставок омеднены.
Омеднение проставки (проставок) увеличит в несколько раз силы трения на поверхностях, по которым она контактирует с дном кольцевой канавки и лентой-ограничителем, а в случае установки двух проставок еще и друг с другом. Это обеспечит более надежную фиксации от смещений в окружном направлении, как твердого тела, промежуточной проставки (или проставок), ленты-ограничителя и кольцевого упругогистерезисного элемента, и позволит применить предлагаемую конструкцию места крепления и в тех случаях, когда оптимальная настройка демпфирующего устройства получается при таких натягах δ, при которых при использовании неомедненных проставок не удается гарантировать смещения указанных деталей, как твердого тела, в пределах имеющихся зазоров.
С целью улучшения УФХ и прочности упругогистерезисного элемента предлагается место крепления рабочих лопаток авиадвигателей пятого поколения, отличающееся тем, что упругогистерезисный элемент выполнен из четырех, шести и более частей, а замки, установленные в выемках кольцевой профилированной канавки, выполнены с выступами, которыми они опираются на дно кольцевой профилированной канавки, и концы проставки или проставок, ленты-ограничителя и упругогистерезисного элемента с натягом, не нарушающим упругую фиксацию гофрами смещения в окружном направлении лопаток размещены под замками, между ответными концами частей, выступами и ответными концами частей кольцевого упругогистерезисного элемента имеются зазоры, величина которых либо равна нулю, либо равна или меньше половины допустимой суммарной величины относительных рабочих смещений в окружном направлении концов этой части кольцевого упругогистерезисного элемента и предпочтительно равна 0,1÷0,3 мм, а между выступами и концами полуколец ленты-ограничителя, каждой из полуколец промежуточной проставки, или каждой из полуколец обеих промежуточных проставок имеются зазоры, величина которых равна нулю или меньше половины максимального относительного температурного удлинения полукольца ленты-ограничителя.
-1
При большом числе гофров, при создании натяга при одновременном сжатии гофров на одну и ту же величину δ в мм напряжения в гофрах, расположенных в центральной части гофрированной ленты (лент) вследствие эффекта «накопления» сил сухого трения, приложенных к вершинам гофров (см. ниже), могут оказаться слишком большими и даже превысить предел длительной прочности σ материала лент. В этом случае упругогистерезисный элемент следует выполнять в виде нескольких отдельных частей, равнорасположенных по окружности. Но длина каждой части и число гофров в части должны быть такими, чтобы при максимально возможной нагрузке, действующей на лопатки, опирающиеся на эту часть, в окружном направлении не происходило смещение части, как твердого тела.
В случае, когда под замками размещены гофры, не фиксирующие лопатки в окружном направлении, натяг между замками и этими гофрами может быть равным δ.
max
Упругогистерезисный элемент, выполненный в виде многослойного мгногопролетного гофрированного пакета, работающего на циклическое сжатие в режиме одностороннего упругогистерезисного упора, обладает высокими демпфирующими свойствами (максимальная величина коэффициента рассеивания такого пакета Ψ=3,5÷3,7, см. [7]).
В работе [8] показано, что нагрузочные процессы при циклическом сжатии многослойного, многопролетного, гофрированного пакета идентичны (при решении задачи методом Галеркина) соответствующим им нагрузочным процессам однослойного, многопролетного гофра с таким же числом гофров, но с жесткостью
0
4
3
C=2nπEI/t,
где n - число гофрированных лент в многослойном пакете, EI - изгибная жесткость одного слоя гофра, t - шаг гофра.
Этот результат физически, прежде всего, объясняется тем, что энергия, рассеиваемая пакетом при его циклическом сжатии, рассеивается в основном за счет работы сил сухого трения на проскальзываниях гофров внешних лент пакета по жестким плитам, а энергия, рассеиваемая внутри пакета, мала по сравнению с этой энергией, а также использованием приближенного аналитического метода решения задачи (метода Галеркина).
Этот результат позволяет к классификации систем конструкционного демпфирования, разработанной в работе [7], добавить еще один класс этих систем, а именно класс систем конструкционного демпфирования, у которых энергия, рассеиваемая внутри упругогистерезисного элемента, мала по сравнению с энергией, рассеиваемой на его границах. Системы конструкционного демпфирования, принадлежащие к этому классу, будут обладать вышеописанным свойством.
Использование этого свойства в случае упругогистерезисных элементов (демпфера) предлагаемого места крепления позволяет определить количество лент в пакете из условия получения минимально возможной массы пакета при обеспечении его прочности и требуемых УДХ и позволило нам определиться с заявляемым количеством лент этих упругогистерезисных элементов.
Многослойный гофрированный пакет, как и все системы конструкционного демпфирования, является системой с наследственностью, т.е. его упругофрикционные и прочностные свойства зависят от последовательности его нагружений. Следовательно, эти свойства пакета будут существенно зависеть от способа сборки места крепления.
При предлагаемом способе сборки места крепления лопаток (см. ниже), вследствие эффекта «накопления» действия сил сухого трения (см. раздел описания работы предлагаемого места крепления), приложенных к вершинам гофров пакета, после сборки места крепления (после сжатия на одну и ту же величину деформации) жесткости гофров каждой части упругогистерезисного элемента будут не одинаковы - жесткости гофров будут увеличиваться от крайних гофров, расположенных у концов лент, к центральному гофру.
С целью повышения демпфирующих свойств и обеспечения при этом приемлемой степени изотропности УФХ в окружном направлении демпфирующих устройств предлагается место крепления рабочих лопаток авиадвигателей пятого поколения, отличающееся тем, что упругогистерезисный элемент места крепления выполнен из одной части и собран из отдельных пар гофрированных лент, у которых стык концов одной ленты расположен диаметрально противоположно стыку концов другой ленты, а стык концов ленты каждой следующей пары, контактирующей с лентой предыдущей пары, также смещен от стыка концов этой ленты на угол π и стыки лент расположены в вершинах гофров, опирающихся на ленту - ограничитель, замки опираются на упругогистерезисный элемент с натягом, не нарушающим упругую фиксацию гофрами смещения в окружном направлении лопаток, или с натягом δ, если под замками располагаются гофры, на склоны которых не упираются лопатки, в этом случае на торце каждого из двух замков, обращенном к дну кольцевой профилированной канавки, выполнены выкружки, в которые с натягом δ упираются вершины этих гофров, а на торце каждого из двух замков, обращенном к дну кольцевой профилированной канавки, выполнены выкружки, которыми с натягом, не нарушающим упругую фиксацию гофрами смещения в окружном направлении лопаток, или с натягом δ, если под замками располагаются гофры, на склоны которых не упираются лопатки, замки опираются на вершины гофров упругогистерезисного элемента, и концы промежуточной проставки или проставок и ленты-ограничителя, выполненных из одной части, с этим же натягом размещены под одним из замков и зазор между концами этих деталей равен нулю или меньше максимального относительного температурного удлинения ленты-ограничителя.
Упругогистерезисный элемент демпфирующего устройства этого места крепления лопаток при одинаковом числе лент в пакете n, одинаковом числе гофров m, с одинаковыми геометрическими размерами лент и гофров и при одной и той же величине упругой деформации гофров при установке пакета в кольцевую канавку рабочего колеса будет наиболее жестким и в собранном пакете будут созданы наибольшие силы трения, действующие по вершинам гофров, так как энергия, рассеиваемая в пакете при его сборке, при той же деформации будет больше, как за счет увеличения суммы взаимных проскальзываний на контактных поверхностях каждой пары лент, так и за счет увеличения самих сил трения.
Заметим, что при некотором числе лент в пакете, например, при n≥10 этот упругогистерезисный элемент уже нельзя будет отнести к классу систем конструкционного демпфирования, у которых энергия, рассеиваемая внутри упругогистерезисного элемента, мала по сравнению с энергией, рассеиваемой на его границах. Заметим также, что фрикционная характеристика этого пакета, характеризуемая величиной максимального коэффициента рассеивания, будет выше, чем у вышеописанных пакетов, именно за счет существенного увеличения энергии, рассеиваемой внутри пакета при колебании лопаток.
Кроме того, в этом пакете могут быть применены более тонкие ленты, например, с толщиной h=0,3÷0,4 мм.
В каждой паре контактирующих гофрированных лент жесткости гофров у каждой ленты изменяются с периодом Т=2π, но картина распределения жесткостей гофров одной ленты сдвинута на π относительно этой картины другой ленты пары. В результате жесткости гофров пакета хотя и изменяются в окружном направлении с периодом Т=π, но разница между максимальным и минимальным значениями жесткостей гофров будет существенно меньше, чем у гофрированного пакета с такими же параметрами, у которого концы лент размещены в одной вершине гофра.
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.
Поэтому с целью повышения износостойкости места крепления лопаток в случае изготовления рабочих лопаток и бочки из титанового сплава предлагается место крепления рабочих лопаток авиадвигателей пятого поколения, отличающееся тем, что на замках лопаток закреплены штампованные башмаки, изготовленные из тонкого стального нагартованного или закаленного шлифованного листа из нержавеющей стали, без зазоров охватывающие замки лопаток по всем поверхностям, по которым они контактировали бы с боковыми сторонами кольцевой профилированной канавки и упругогистерезисным элементом, при отсутствии башмаков.
В предлагаемом месте крепления лопаток наличие стальных башмаков, закрепленных на замках рабочих лопаток, организует все контакты, в которых происходят взаимные проскальзывания контактирующих поверхностей, как пары трения «сталь по стали». Нанесение на эти поверхности износостойкого покрытия, например, серебрения или твердой смазки обеспечивает высокую износостойкость этих поверхностей.
С целью увеличения надежности недопущения возможности смещения лопаток в окружном направлении в пределах, больших диапазона, ограниченного упругими смещениями упругогистерезисного элемента и ленты-ограничителя, предлагается место крепления рабочих лопаток авиадвигателей пятого поколения, отличающееся тем, что одна из заглушек или нажимных винтов из количества фиксирующих полукольцо промежуточной проставки или полукольца промежуточных проставок и выполнена более длиной, чем другие, и своим свободным концом входит с зазором в ответную выемку, выполненную на торце полукольца промежуточной проставки или проставок и полукольце ленты-ограничителя, причем величина зазора выбрана из условия, что смещение лопаток в окружном направлении в пределах зазора будет допустимой и не будет нарушать балансировку ротора.
В предлагаемых конструкциях места крепления лопаток заглушки или нажимные винты фиксируют смещение промежуточной проставки или промежуточных проставок и ленты-ограничителя в направлении оси ротора и ограничивают пределами заданного зазора смещение упругогистерезисного элемента в этом направлении. В предлагаемой конструкции места крепления лопаток заглушки или нажимные винты также ограничивают смещения лопаток в окружном направлении величиной зазора между ними и выемками в промежуточной проставке или промежуточных проставках и ленте - ограничителе.
Предлагается ротор компрессора низкого давления авиадвигателя, выполненный в виде бочки с тремя или более кольцевыми выступами на внешней и внутренней поверхностях бочки, в каждом кольцевом выступе которой выполнена профилированная кольцевая канавка с поперечным радиальным сечением, ответным замку рабочей лопатки типа «ласточкин хвост», и рабочие лопатки своими замками вставлены в эти канавки и выполнены с платформами, которые вместе с перьями лопаток организуют каналы обтекания этих лопаток, и лопатки ступеней, начиная со второй или с третьей ступени платформами упираются друг в друга, и ротор бустера жестко соединен с ротором вентилятора, а четыре лопатки каждой ступени, пары этих лопаток расположены диаметрально противоположно, имеют специальные вырезы в платформе под два замка, фиксирующие от смещений в окружном направлении лопатки этих ступеней, отличающийся тем, что место крепления рабочих лопаток первой или первой и второй ступеней ротора КНД, выполнено по любому из пп. 1, 2, 3, 4, 5 и 6 формулы изобретения.
Предлагается ротор компрессора высокого давления авиадвигателя, состоящий из следующих элементов: лопатки КВД; блиски первой и второй ступеней КВД; рабочее колесо КВД; диск с лабиринтным уплотнением, каждый блиск КВД является фрезерованной из единой заготовки деталью, блиск КВД первой ступени ротора КВД совмещает рабочее колесо, комплект лопаток, лабиринтные уплотнения и вал КВД и соединен вместе с блиском второй ступени и рабочим колесом с третьей по шестую ступень ротора КВД при помощи болтов, на валу блиска второй ступени КВД выполнены шлицевые пазы для соединения с задней частью вала вентилятора, лопатки третьей ступени ротора КВД устанавливаются на рабочее колесо КВД при помощи паза «ласточкин хвост» и поджаты в осевом направлении упорным кольцом, прикрепленном к передней поверхности паза ласточкин хвост при помощи болтов, блиски первой и второй ступеней ротора КВД и лопатки третьей ступени ротора КВД выполнены из титанового сплава, а упорное кольцо выполнено из никелевого сплава, лопатки с четвертой по шестую ступеней ротора КВД устанавливаются на рабочее колесо ротора КВД при помощи профилированной кольцевой канавки и выполнены с платформами и зафиксированы от смещения в тангенциальном направлении у каждой из ступеней двумя диаметрально противоположно расположенными замками, платформы лопаток с пятой по шестую ступеней КВД плотно прилегают друг к другу, и четыре лопатки пятой и четыре лопатки шестой ступени КВД имеют специальные вырезы в платформе под два замка, лопатки с четвертой по шестую ступень КВД выполнены из никелевого сплава, к переднему фланцу рабочего колеса КВД крепятся оба блиска КВД, а к его заднему фланцу также при помощи болтов крепится диск с лабиринтным уплотнением вместе с бочкой ротора ТНД, и на рабочем колесе КВД выполнено k пазов ласточкин хвост под лопатки третьей ступени ротора КВД, три профилированные кольцевые канавки для крепления лопаток четвертой, пятой и шестой ступеней КВД и четыре лабиринтных уплотнения, для герметизации сочленения с вкладышами истираемого уплотнения и сотового уплотнения статора КВД, рабочее колесо КВД изготовлено из никелевого сплава в виде бочки, выполненной заодно целое с дисками, и на диске с лабиринтным уплотнением выполнены зубья лабиринтного уплотнения, обеспечивающие герметизацию сочленения с опорой уплотнения корпуса камеры сгорания, а сам диск с лабиринтным уплотнением выполнен из никелевого сплава, отличающийся тем, что место крепления рабочих лопаток четвертой ступени ротора КВД выполнено по любому из пп. 1, 2, 3, 4, 5 и 6 формулы изобретения.
Заметим, что вибрационная прочность рабочих лопаток блисков и третьей ступени предлагаемого ротора КВД обеспечивается «отстройкой» от резонансов опасных форм колебаний лопаток, даже и тогда, когда для этого приходится идти на ухудшение массовых характеристик ротора КВД, так как эти лопатки непустотелые, выполнены без ножек и полок, а конструкции демпферов для лопаток блисков пока не разработаны, и демпфирование в замковом соединении «ласточкин хвост» лопаток третьей ступени на небольших оборотах ротора (2000÷5000 об/ мин) невелико, а на больших оборотах (7000 и более) практически равно нулю [6].
Известен способ сборки места крепления рабочих лопаток КНД и КВД авиадвигателя SaM 146 [2], состоящий в том, что рабочие лопатки последовательно одна за другой устанавливают через две диаметрально расположенные выемки в два также диаметрально расположенные сектора кольцевой профилированной канавки места крепления лопаток, причем первой и последней в каждом секторе устанавливают лопатки с прорезями в платформах под замки, в выемки и прорези вставляют оба замка так, чтобы рабочие лопатки торцами платформ плотно уперлись друг в друга, и закрепляют замки.
Достоинством этого способа является его простота.
Этот способ сборки места крепления рабочих лопаток по технической сущности наиболее близок к предлагаемому и принят за прототип.
Но этим способом нельзя собрать предлагаемые места крепления рабочих лопаток, так как в эти места монтируются не только рабочие лопатки, но и демпфирующее устройство и при этом меняются способы фиксации лопаток от смещения, как в окружном, так и в радиальном направлении.
Поэтому ставится задача создания способа сборки места крепления рабочих лопаток, пригодного для сборки предлагаемых мест крепления лопаток.
Поставленная задача решается тем, что предлагается способ сборки места крепления рабочих лопаток, состоящий в том, что рабочие лопатки последовательно одна за другой устанавливают через две диаметрально расположенные выемки в два также диаметрально расположенные сектора кольцевой профилированной канавки места крепления лопаток, отличающийся тем, что бочку устанавливают на стол так, чтобы ее продольная ось была вертикальна, а технологическая канавка располагалась выше кольцевой профилированной канавки, в кольцевую профилированную канавку устанавливают диаметрально противоположно два полукольца промежуточной проставки, так, что полукольца своей конической поверхностью легли на коническое дно кольцевой профилированной канавки, или если канавка выполнена с цилиндрическим дном на него цилиндрической поверхностью укладывают полукольца внутренней промежуточной проставки, причем обе эти проставки укладывают выемками к стенке кольцевой профилированной канавки без технологической канавки, сдвигают полукольца этих промежуточных проставок до упора в стенку технологической канавки, на внутреннюю промежуточную проставку устанавливают полукольца второй промежуточной проставки так, чтобы поперечное радиальное сечение проставок было прямоугольным, и на эту проставку, или в случае выполнения кольцевой профилированной канавки с коническим дном на промежуточную проставку устанавливают в кольцевую профилированную канавку полукольца ленты-ограничителя, а на них части упругогистерезисного элемента, устанавливают в кольцевую профилированную канавку лопатки, вставляют в выемки два замка, с помощью щупов, устанавливаемых между торцами платформ лопаток и торцами замков и платформ, устанавливают точное положение лопаток, с помощью приспособления, установленного так, что его толкатели располагаются в технологических отверстиях, предназначенных для выдавливания одного полукольца промежуточной проставки или внутренней промежуточной проставки из технологической канавки, и закреплены на кронштейне, жестко закрепленном на штоке рабочего цилиндра, подают сначала небольшое давление в цилиндр и частично выдавливают толкателями полукольцо промежуточной проставки или внутренней промежуточной проставки из технологической канавки так, что создается такой небольшой натяг по замкам половины лопаток, фиксирующий точное положение этих лопаток, но не препятствующий удалению щупов, удаляют щупы и выдавливают толкателями полукольцо промежуточной проставки или внутренней промежуточной проставки до упора в противоположную стенку кольцевой профилированной канавки, давление из цилиндра стравливается и толкатели выходят из технологических отверстий, поворачивают в опоре приспособления цилиндр вместе с кронштейном на 180° так, чтобы толкатели вошли в технологические отверстия, предназначенные для выталкивания второго полукольца этих промежуточных проставок, и подают в цилиндр небольшое давление и толкатели входят в технологические отверстия и фиксируют положение второй половины лопаток, удаляют щупы, подается рабочее давление в цилиндр и второе полукольцо промежуточной проставки или внутренней промежуточной проставки выдавливается аналогичным образом из технологической канавки, давление из цилиндра стравливается и толкатели выходят из технологических отверстий, и в технологические отверстия запрессовывают заглушки до упора в промежуточную проставку или в две промежуточных проставки, или в случае выполнения технологических отверстий с резьбой в них завинчивают до упора в промежуточную проставку или в две промежуточных проставки нажимные винты и законтривают их от отворачивания, смещают замки в положение, где их можно закрепить и закрепляют их.
С помощью полукруглых выемок в полукольцах промежуточной проставки и щупов она может точно установлена в технологической канавке. Также с помощью щупов могут быть точно установлены в кольцевой профилированной канавке полукольца ленты-ограничителя и части упругогистерезисного элемента - части гофрированной ленты и пакеты.
Технология сборки предлагаемого места крепления лопаток может быть упрощена, если стыки частей упругогистерезисного элемента расположены в радиальных плоскостях, в которых расположены стыки платформ лопаток, и зазоры в этих стыках одинаковы. В этом случае точная установка лопаток и частей упругогистерезисного элемента будет производиться совместно с помощью одних и тех же щупов.
o
При выталкивании промежуточной проставки из технологической канавки создается натяг δ между упругогистерезисным элементом и замками лопаток и замками, закрепленными в выемках кольцевой профилированной канавки, а также создаются натяги δ в окружном направлении между замками лопаток и упругогистерезисным элементом.
При одновременном сжатии пакета при сборке на каждую j-ую половину гофра действует продольная сила
j
где P - сила, действующая на j-ый гофр в радиальном направлении, и μ - коэффициент трения скольжения.
Из формулы видно, что продольная сила, которую должен преодолеть j-ый гофр пакета, чтобы его вершина сместилась в окружном направлении относительно ленты-ограничителя или замка рабочей лопатки, возрастает от крайних гофров к среднему (в этом и состоит эффект «накопления» (суммирования) действия сил сухого трения. Именно из-за действия этого эффекта при одновременном сжатии гофров пакета на одну и ту же величину деформации жесткости гофров пакета получаются неодинаковыми и возрастают от крайних гофров к среднему.
Очевидно, что при выталкивании полуколец промежуточной проставки из технологической канавки нажимными винтами эффект «накопления» действия сил трения будет проявляться в меньшей степени, и меньше будут отличаться жесткости гофров пакета.
Конструкции предлагаемых устройств и способы сборки поясняются иллюстрациями (на фиг.  в разрезах лопатка показана не разрезанной):
на фиг. 1 изображен поперечный радиальный разрез предлагаемого места крепления рабочих лопаток;
на фиг. 2 схематично изображены фрагменты разреза по А-А на фиг. 1;
на фиг. 3 изображен разрез по Б-Б на фиг. 2;
на фиг. 4 изображен вид по стр. В на фиг. 3;
на фиг. 5 изображен разрез по Г-Г на фиг. 2;
на фиг. 6 изображен поперечный радиальный разрез предлагаемого места крепления рабочих лопаток с двумя промежуточными проставками;
на фиг. 7 изображен фрагмент места крепления лопаток в разрезе с замком с выступом, закрепленным в выемке с натягом по упругогистерезисному элементу;
на фиг. 8 изображен продольный разрез предлагаемого места крепления рабочих лопаток с упругогистерезисным элементом, собранным из отдельных пар гофрированных лент, у которых стык концов одной ленты расположен диаметрально противоположно стыку концов другой ленты, а стык концов ленты каждой следующей пары, контактирующей с лентой предыдущей пары, также смещен от стыка концов этой ленты на угол π и стыки лент расположены в вершинах гофров, опирающихся на ленту - ограничитель;
на фиг. 9 изображен фрагмент места крепления лопаток в разрезе с замком, закрепленным в выемке с натягом δ по вершине гофра упругогистерезисного элемента;
на фиг. 10 изображен поперечный радиальный разрез предлагаемого места крепления рабочих лопаток с замками лопаток с надетыми на них стальными башмаками;
на фиг. 11 изображен фрагмент места крепления лопаток с фиксацией их смещения в окружном направлении с помощью заглушек;
на фиг. 12 изображен ротор КНД авиадвигателя;
на фиг. 13 изображена схема ротора компрессора высокого давления авиадвигателя;
на фиг. 14 изображена схема выполнения операции выдавливания полукольца промежуточной проставки из технологической канавки;
на фиг. 15 изображен качественный вид петли гистерезиса при нагружении рабочей лопатки статической и динамической нагрузками.
Предлагаемое место крепления рабочих лопаток авиадвигателей пятого поколения (см. фиг. 1) выполнено в виде кольцевого выступа 1 на внешней и внутренней поверхности бочки 2 ротора КНД или бочки 57 рабочего колеса 42 ротора КВД (см. фиг. 13), в котором выполнена кольцевая профилированная канавка 3 со стороны внешней поверхности бочки 2, в которой замками «ласточкин хвост» 4 (см. фиг. 1) закреплены рабочие лопатки 5 с платформами 6. В кольцевой канавке 3 в двух диаметрально противоположных местах выполнены две выемки 7 (см. фиг. 2) с такими шириной и длиной в тангенциальном направлении, чтобы в ней свободно мог разместиться замок 4 лопатки 5 и глубиной, равной глубине кольцевой канавки 3 (см. фиг. 3 и 4). В выемках 7 и вырезах в платформах 6 с помощью призонных болтов 8, шайб 9 и самоконтрящихся гаек 10 закреплены замки 11, ограничивающие смещение лопаток 5 в тангенциальном направлении. Причем наружный диаметр рабочего колеса, измеренный по замкам 11 (см. фиг. 2), равен наружному диаметру, измеренному по платформам 6 лопаток 5. Кольцевая профилированная канавка 3 выполнена с коническим дном 12 (см. фиг. 3). Причем ось конической поверхности дна 12 совпадает с продольной осью бочки 2 ротора бустера или бочки компрессора, а угол при вершине этого конуса выбран из условия создания требуемой величины натяга δ в мм между замками 4 лопаток 5 и упругогистерезисным элементом 13 (см. фиг. 1), на который они опираются. Радиальное поперечное сечение кольцевой профилированной канавки 3 имеет форму «ласточкиного хвоста», соединенного в основании с горизонтально расположенной трапецией с вертикальными основаниями, причем высота трапеции, по которой она соединена с фигурой «ласточкин хвост», равна в мм
а
где с - величина большего основания «ласточкина хвоста» в мм, b - величина меньшего основания «ласточкина хвоста» в мм и  - глубина кольцевой технологической канавки 14 в одной из боковых стенок выступа 1, измеренная в направлении оси ротора в мм, равная
где δ - величина натяга в мм между замками 4 лопаток 5 и упругогистерезисным элементом 13, ϕ - угол при вершине конуса внутренней поверхности промежуточной проставки 15, и высота кольцевой технологической канавки 14, измеренная в радиальном поперечном сечении, равна в мм
h=δ+H+0÷0,2,
э
где Н - наибольшая высота поперечного радиального сечения кольцевой промежуточной проставки 15. Кольцевая промежуточная проставка 15 (см. фиг. 2) выполнена из двух диаметрально противоположно расположенных полуколец 16 с поперечным радиальным сечением в виде трапеции - усеченного клина (см. фиг. 1), с наибольшей высотой Н, шириной, равной или меньшей ширины меньшего основания «ласточкиного хвоста» кольцевой профилированной канавки 3, и углом наклона клина - половиной угла конуса клина, равной  На торце с меньшей толщиной каждого полукольца 16 (см. фиг. 5) у его концов выполнены две полукруглых технологических выемки 17 или три таких выемки, в этом случае одна из выемок находится в средней части полукольца 16. Кольцевая промежуточная проставка 15 установлена на дно 12 кольцевой профилированной канавки 3 (см. фиг. 1 и 5) таким образом, что ее торец с выемками 17 контактирует с боковой стороной выступа 1 места крепления лопаток, в которой нет технологической канавки 14. На промежуточную проставку 15 установлена жесткая, гофрированная лента-ограничитель 18 (см. фиг. 1 и 2), выполненная из двух полуколец 19, изготовленных из каленой или нагартованной, шлифованной ленты из жаропрочной или жаростойкой нержавеющей стали, причем параметры ленты, ее толщина, подобраны так, чтобы жесткость каждого гофра ленты в окружном направлении была такой, чтобы под действием максимально возможной нагрузки, действующей на лопатку в окружном направлении, деформация гофра в этом направлении не превышала 0,1÷0,15 мм, и стрела выгиба гофра была равна ƒ=0.8÷1,0 мм или больше этой величины. Между лентой-ограничителем 18 и замками 4 рабочих лопаток 5 с радиальным натягом δ установлен кольцевой упругогистерезисный элемент 13, выполненный из одной гофрированной или двух и более гофрированных лент 20, собранных «гофр в гофр», изготовленных из каленой или нагартованной, шлифованной ленты из жаропрочной или жаростойкой нержавеющей стали, таким образом, что вершины его гофров опираются на впадины ленты-ограничителя 18. Причем параметры лент 20 упругогистерезисного элемента 13 подобраны следующим образом: ширина, измеренная в направлении продольной оси ротора, равна или меньше ширины меньшего основания «ласточкиного хвоста» кольцевой профилированной канавки 3, шаг гофров равен шагу гофров ленты-ограничителя 18 и такой, что на замок 4 лопатки 5 опирается одна, две или более вершин гофров и стрела выгиба гофров до сборки равна ƒ=ƒ+δ+0,1÷0,25 мм, и геометрия гофров выбрана такой, что в собранном месте крепления лопаток максимальное значение зазора между склонами гофров упругогистерезисного элемента 13 и ленты-ограничителя 18 не превышала 0,2 мм, а предпочтительная величина натяга δ по вершинам гофров, на которые опирается замок 4 лопатки 5, была такой, чтобы обеспечивалась надежная упругая фиксация лопатки в окружном направлении, и предпочтительно равнялась δ=0,8÷1 мм и более. Концы замков 4 лопаток 5 (см. фиг. 2) скошены таким образом, что лопатка скошенными частями замка опирается на склоны гофров лент 20 и натяг по вершинам этих двух гофров δ=0. Упругогистерезисный элемент 13 составлен из двух и более частей 21 кольца, равнорасположенных по окружности, и между концами этих частей, и концами этих частей и обоими замками 11 (см. фиг. 2 и 3) в окружном направлении имеются зазоры 22, величина которых либо равна нулю, либо равна или меньше половины допустимой суммарной величины относительных рабочих смещений концов этой части кольца, и предпочтительно равна 0,2÷0,5 мм. Между наружной поверхностью выступов 1 бочки 2 и платформой 6 каждой лопатки 5 (см. фиг. 2), а также между торцами платформ соседних лопаток и ответными торцами платформ лопаток и замков 11 имеются зазоры 23, величина которых ограничена величинами допустимых смещений лопатки под действием статических и динамических рабочих нагрузок. Оба замка 11 (см. фиг. 4) своим дном, имеющим форму дна 12 кольцевой канавки 3, упираются в ее дно. Между замками 11 и концами полуколец 16 промежуточной проставки 15 и концами 19 ленты-ограничителя 18 зазоры 24 (см. фиг. 3) либо равны нулю, либо меньше половины относительного максимального температурного удлинения этих деталей. В боковой стенке с технологической канавкой 14 выступа 1 места крепления рабочих лопаток (см. фиг. 6) выполнено четыре или шесть отверстий 25, выходящих в канавку 14, из которых два расположены в районах расположения концов полуколец 16 промежуточной проставки 15, а при выполнении шести отверстий еще по одному в районе средней части каждого полукольца. В отверстия 25 запрессованы заглушки 26 до упора в кольцевую промежуточную проставку 15 или завернуты нажимные винты (на фиг. не показано). Причем между боковой стороной упругогистерезисного элемента 13 и торцами заглушек 26 или нажимных винтов имеется зазор, равный 0,1÷0,15 мм. Само место крепления рабочих лопаток собрано таким же образом, как и место крепления рабочих лопаток по п. 10 формулы изобретения, и все трущиеся поверхности деталей предлагаемого места крепления покрыты износостойким покрытием, а оптимальная и предельная настройки системы «фрагмент места крепления лопатки - лопатка - демпфирующее устройство» и размерные параметры упругогистерезисного элемента 13 определяются из виртуального эксперимента.
Предлагается также место крепления рабочих лопаток место крепления рабочих лопаток авиадвигателей пятого поколения (см. фиг. 6), отличающееся тем, что кольцевая профилированная канавка 3 выполнена с цилиндрическим дном 12. Радиальное поперечное сечение кольцевой профилированной канавки имеет форму «ласточкиного хвоста», соединенного в основании с прямоугольником с вертикальными боковыми стенками, причем большая сторона прямоугольника, по которой он соединен с фигурой «ласточкин хвост», равна в мм
а
где с - величина большего основания «ласточкина хвоста» в мм, b - величина меньшего основания «ласточкина хвоста» в мм и  - глубина кольцевой технологической канавки 14 в одной из боковых стенок выступа 1 в направлении оси ротора в мм, равная
где δ - величина натяга в мм между замками 4 лопаток 5 и упругогистерезисным элементом 13, ϕ - угол при вершине конуса поверхностей промежуточных проставок 27 и 28, по которым они контактируют друг с другом, и высота кольцевой технологической канавки 14, измеренная в радиальном поперечном сечении, равна в мм
h=H+0÷0,2,
где Н - наибольшая высота поперечного радиального сечения кольцевой промежуточной проставки 28. Каждая из двух кольцевых промежуточных проставок 27 и 28 выполнена из двух диаметрально противоположно расположенных полуколец 16 с поперечным радиальным сечением в виде трапеции - усеченного клина, с наибольшей высотой Н, шириной, равной или меньшей ширины большего основания «ласточкиного хвоста» кольцевой профилированной канавки 3, и углом наклона клина - половиной угла конуса клина, равной  Промежуточные проставки 27 и 28 так установлены на дно 12 кольцевой профилированной канавки 3, что их поперечное радиальное сечение образует прямоугольник. У промежуточной проставки 27, устанавливаемой на дно кольцевой профилированной канавки, на торце с меньшей толщиной каждого полукольца 16 у его концов выполнены две полукруглых технологических выемки 17 или три таких выемки, в этом случае одна из выемок находится в средней части полукольца, и кольцевая промежуточная проставка установлена на дно 12 кольцевой профилированной канавки 3 таким образом, что ее торец с полукруглыми выемками 17 контактирует с боковой стороной выступа 1 места крепления лопаток, в которой нет технологической канавки. На промежуточную проставку 28 установлена жесткая, гофрированная лента-ограничитель 18. В остальном конструкция этого предлагаемого места крепления аналогична вышеописанной.
Предлагается место крепления рабочих лопаток авиадвигателей пятого поколения, отличающееся тем, что полукольца 16 промежуточной проставки 15 (см. фиг. 1) или проставок 27 и 28 (см. фиг. 6) омеднены.
Предлагается место крепления рабочих лопаток авиадвигателей пятого поколения (см. фиг. 7), отличающееся тем, что упругогистерезисный элемент 13 выполнен из четырех, шести и более частей 21, а замки 11, установленные в выемках 7 кольцевой профилированной канавки 3, выполнены с выступами 29, которыми они опираются на дно 12 кольцевой профилированной канавки 3. Концы проставки 15 или проставок 27 и 28 (см. фиг. 6 и 7), ленты-ограничителя 18 и упругогистерезисного элемента 13 с натягом, не нарушающим упругую фиксацию гофрами смещения в окружном направлении лопаток 5, размещены под замками 11. Между ответными концами частей 21, выступами 29 и ответными концами частей 21 кольцевого упругогистерезисного элемента 13 имеются зазоры 22, величина которых либо равна нулю, либо равна или меньше половины допустимой суммарной величины относительных рабочих смещений в окружном направлении концов этой части кольцевого упругогистерезисного элемента и предпочтительно равна 0,1÷0,3 мм. Между выступами 29 и концами полуколец 19 ленты-ограничителя 18, каждой из полуколец 16 промежуточной проставки 15, или каждой из полуколец 16 промежуточных проставок 27 и 28 имеются зазоры 24, величина которых равна нулю или меньше половины максимального относительного температурного удлинения полукольца ленты-ограничителя.
Предлагается также место крепления рабочих лопаток авиадвигателей пятого поколения (см. фиг. 8), отличающееся тем, что упругогистерезисный элемент 13 места крепления выполнен из одной части 21 и собран из отдельных пар 30 гофрированных лент 20, у которых стык концов одной ленты расположен диаметрально противоположно стыку концов другой ленты, а стык концов ленты 20 каждой следующей пары 30, контактирующей с лентой предыдущей пары, также смещен от стыка концов этой ленты на угол π и стыки лент расположены в вершинах гофров, опирающихся на ленту - ограничитель 18. Замки 11 опираются на упругогистерезисный элемент 13 с натягом, не нарушающим упругую фиксацию гофрами смещения в окружном направлении лопаток 5, или с натягом δ, если под замками 11 располагаются гофры, на склоны которых не упираются лопатки. В этом случае на торце каждого из двух замков 11 (см. фиг. 9), обращенном к дну 12 кольцевой профилированной канавки 3, выполнены выкружки 31, в которые с натягом δ упираются вершины гофров упругогистерезисного элемента 13. Концы промежуточной проставки 15 или проставок 27 и 28, ленты-ограничителя 18, выполненных из одной части, с этим же натягом размещены под одним из замков 11 и зазор 32 между концами этих деталей равен нулю или меньше максимального относительного температурного удлинения ленты-ограничителя.
Предлагается также место крепления рабочих лопаток авиадвигателей пятого поколения (см. фиг. 10), отличающееся тем, что на замках 4 лопаток 5 закреплены штампованные башмаки 33, изготовленные из тонкого стального нагартованного или закаленного шлифованного листа, без зазоров охватывающие замки 4 лопаток 5 по всем поверхностям, по которым они контактировали бы с боковыми сторонами кольцевой профилированной канавки 3, упругогистерезисным элементом 13, установленным под замками 4 лопаток 5 при отсутствии башмаков.
Кроме того, предлагается место крепления рабочих лопаток авиадвигателей пятого поколения (см. фиг. 11), отличающееся тем, что одна из заглушек 26 или нажимных винтов из количества фиксирующих полукольцо 16 промежуточной проставки 15 или полукольца 16 промежуточных проставок 27 и 28 выполнена более длиной, чем другие, и своим свободным концом входит с зазором 34 в ответную выемку 35, выполненную на торце полукольца 16 промежуточной проставки 15 или проставок 27 и 28 и полукольце 19 ленты-ограничителя 18, причем величина зазора выбрана из условия, что смещение лопаток в окружном направлении в пределах зазора будет допустимой и не будет нарушать балансировку ротора.
Предлагается ротор КНД авиадвигателя (см. фиг. 12), выполненный в виде бочки 2 с тремя или более кольцевыми выступами 1 на внешней и внутренней поверхности бочки. В каждом кольцевом выступе 1 выполнена профилированная кольцевая канавка 3 с поперечным радиальным сечением, ответным замку 4 рабочей лопатки 5 типа «ласточкин хвост». Рабочие лопатки 5 своими замками 4 вставлены в эти канавки 3 и выполнены с платформами 6, которые вместе с перьями 36 лопаток 5 организуют каналы обтекания этих лопаток. Лопатки 5 ступеней, начиная со второй 37 (или с третьей ступени 38) платформами 6 упираются друг в друга. Ротор бустера жестко соединен с ротором вентилятора (на фиг не показано). Четыре лопатки 5 каждой ступени, пары этих лопаток 5 расположены диаметрально противоположно, имеют специальные вырезы в платформе 6 (см. фиг. 5) под два замка 11, фиксирующие от смещений в окружном направлении лопатки этих ступеней. Предлагаемый ротор КНД (см. фиг. 12) отличается тем, что место крепления рабочих лопаток первой 39 или первой 39 и второй 37 ступеней ротора КНД, выполнено по любому пп. 1, 2, 3, 4, 5, 6 и 7 формулы изобретения.
Предлагается ротор компрессора высокого давления авиадвигателя (см. фиг. 13), состоящий из следующих элементов: лопатки КВД 5; блиски первой 40 и второй 41 ступеней КВД; рабочее колесо КВД 42; диск с лабиринтным уплотнением 43. Каждый блиск КВД является фрезерованной из единой заготовки деталью. Блиск КВД первой ступени 40 ротора КВД совмещает рабочее колесо 44, комплект лопаток 5, лабиринтные уплотнения 45 и вал КВД 46 и соединен вместе с блиском второй ступени 41 и рабочим колесом 42 с третьей по шестую ступень ротора КВД при помощи болтов 47. На валу 46 блиска второй ступени 41 КВД выполнены шлицевые пазы 48 для соединения с задней частью вала вентилятора (на фиг. не показан). Лопатки 5 третьей ступени 49 ротора КВД (см. фиг. 13) устанавливаются на рабочее колесо 42 КВД при помощи паза «ласточкин хвост» и поджаты в осевом направлении упорным кольцом 50, прикрепленном к передней поверхности паза «ласточкин хвост» при помощи болтов 47. Блиски первой 40 и второй 41 ступеней ротора КВД и лопатки 5 третьей ступени 49 ротора КВД выполнены из титанового сплава, а упорное кольцо 50 выполнено из никелевого сплава. Лопатки 5 четвертой 51, пятой 52 и шестой 53 ступеней ротора КВД устанавливаются на рабочее колесо 42 ротора КВД при помощи профилированной кольцевой канавки 3 и выполнены с платформами 6 и зафиксированы от смещения в тангенциальном направлении у каждой из ступеней двумя диаметрально противоположно расположенными замками 11 (см. фиг. 2). Платформы 6 лопаток 5 с пятой 52 по шестую 53 ступеней КВД плотно прилегают друг к другу. Четыре лопатки 5 пятой и четыре лопатки 5 шестой ступени КВД имеют специальные вырезы в платформе 6 под два замка 11 (см. фиг. 4). Лопатки 5 с четвертой 51 по шестую ступень 53 КВД (см. фиг. 13) выполнены из никелевого сплава. К переднему фланцу 54 рабочего колеса 42 КВД крепятся оба блиска КВД, а к его заднему фланцу 55 также при помощи болтов 47 крепится диск с лабиринтным уплотнением 43 вместе с бочкой ротора ТНД (на фиг. не показана). На рабочем колесе 42 КВД (см. фиг. 13) выполнено k пазов «ласточкин хвост» под лопатки 5 третьей ступени 49 ротора КВД, три профилированные кольцевые канавки 3 для крепления лопаток четвертой 51, пятой 52 и шестой 53 ступеней КВД и четыре лабиринтных уплотнения 56, для герметизации сочленения с вкладышами истираемого уплотнения и сотового уплотнения статора КВД (на фиг. не показан). Рабочее колесо 42 КВД (см. фиг. 13), изготовлено из никелевого сплава в виде бочки 57, выполненной заодно целое с дисками 58. На диске с лабиринтным уплотнением 43 выполнены зубья лабиринтного уплотнения, обеспечивающие герметизацию сочленения с опорой уплотнения корпуса камеры сгорания (на фиг. не показана). Диск с лабиринтным уплотнением 43 выполнен из никелевого сплава. Предлагаемый ротор КВД отличается тем, что место крепления рабочих лопаток четвертой ступени 51 ротора КВД выполнено по любому пп. 1, 2, 3, 4, 5, 6 и 7 формулы изобретения.
Предлагается способ сборки места крепления рабочих лопаток, состоящий в том, что бочку 2 устанавливают на стол 59 (см. фиг. 14) так, чтобы ее продольная ось была вертикальна, а технологическая канавка 14 располагалась выше кольцевой профилированной канавки 3. В кольцевую профилированную канавку 3 устанавливают диаметрально противоположно два полукольца 16 промежуточной проставки 15, так, что полукольца своей конической поверхностью легли на коническое дно 12 кольцевой профилированной канавки 3, или если канавка 3 выполнена с цилиндрическим дном 12 на него цилиндрической поверхностью укладывают полукольца 16 внутренней промежуточной проставки 27. Причем обе эти проставки, 15 и 27, укладывают выемками 17 (см. фиг. 5) к стенке кольцевой профилированной канавки 3 без технологической канавки 14. Сдвигают полукольца 16 этих промежуточных проставок до упора в стенку технологической канавки 14. На внутреннюю промежуточную проставку 27 устанавливают полукольца 16 второй промежуточной проставки 28 (см. фиг. 6) так, чтобы поперечное радиальное сечение проставок было прямоугольным, и на эту проставку, или в случае выполнения кольцевой профилированной канавки 3 с коническим дном 12 на промежуточную проставку 15 устанавливают в кольцевую профилированную канавку полукольца 19 ленты-ограничителя 18 (см. фиг. 14), а на них части упругогистерезисного элемента 13. Устанавливают в кольцевую профилированную канавку 3 лопатки 5. Вставляют в выемки 7 два замка 11 (см. фиг. 7), с помощью щупов, устанавливаемых между торцами платформ 6 лопаток 5 и торцами замков 11 и платформ 6, устанавливают точное положение лопаток. С помощью приспособления 60 (см. фиг. 14), установленного так, что его толкатели 61 располагаются в технологических отверстиях 25, предназначенных для выдавливания одного полукольца 16 промежуточной проставки 15 или внутренней промежуточной проставки 27 из технологической канавки 14, и закреплены на кронштейне 62, жестко закрепленном на штоке рабочего цилиндра 63, подают сначала небольшое давление в цилиндр 63 и частично выдавливают толкателями полукольцо 16 промежуточной проставки 15 или внутренней промежуточной проставки 27 из технологической канавки 14 так, что создается такой небольшой натяг по замкам 4 половины лопаток 5, фиксирующий точное положение этих лопаток, но не препятствующий удалению щупов, удаляют щупы. Выдавливают толкателями 61 полукольцо 16 промежуточной проставки 15 или внутренней промежуточной проставки 27 до упора в противоположную стенку кольцевой профилированной канавки 3. Давление из цилиндра 63 стравливается и толкатели 61 выходят из технологических отверстий 25. Поворачивают в опоре 64 приспособления 60 цилиндр 63 вместе с кронштейном 62 на 180° так, чтобы толкатели 61 вошли в технологические отверстия 25, предназначенные для выталкивания второго полукольца этих промежуточных проставок. Подают в цилиндр 63 небольшое давление и толкатели 61 входят в технологические отверстия 25 и фиксируют положение второй половины лопаток 5. Удаляют щупы. Подается рабочее давление в цилиндр 63 и второе полукольцо 16 промежуточной проставки 15 или внутренней промежуточной проставки 27 выдавливается аналогичным образом из технологической канавки 14. Давление из цилиндра 63 стравливается и толкатели 61 выходят из технологических отверстий 25. В технологические отверстия запрессовывают заглушки 26 (см. фиг. 11) до упора в промежуточную проставку 15 или в две промежуточных проставки 27 и 28, или в случае выполнения технологических отверстий 25 с резьбой в них завинчивают до упора в промежуточную проставку 15 или в две промежуточных проставки 27 и 28 нажимные винты (на фиг. не показано) и законтривают их от отворачивания. Смещают замки 11 (см. фиг. 7) в положение, где их можно закрепить и закрепляют их.
Сборка предлагаемых мест крепления рабочих лопаток по п.п. 1, 2, 3 и 4 формулы изобретения описана в предлагаемом способе их сборки. Отличия в сборке мест крепления лопаток по пп. 5 и 7 формулы изобретения ясны и не требуют дополнительного описания. Особенностью сборки места крепления по п. 6 является только то, что лопатки 5 (см. фиг. 10) подаются на сборку с уже закрепленными на их замках 4 башмаками 33.
Сборка предлагаемых роторов КНД и КВД ясна из описания их конструкции и за исключением сборки мест крепления рабочих лопаток, в которых установлены промежуточная проставка или проставки, лента-ограничитель и упругогистерезисный элемент ничем не отличаются от прототипа и также специально не описывается.
Предлагаемые места крепления рабочих лопаток на рабочих режимах двигателя работают следующим образом: как уже указывалось выше, рабочие лопатки упруго закреплены в месте крепления и при нагружении рабочими статическими и динамическими нагрузками, они преодолевают силы сухого трения на контактных поверхностях упруго деформируемых элементов места крепления, созданные натягом - сдавливающей нагрузкой между ними, полученной при сборке и в результате действия центробежных сил. Энергия колебаний системы «место крепления лопаток - рабочие лопатки - демпфирующее устройство» рассеивается за счет работы сил сухого трения при взаимном упругом проскальзывании контактирующих элементов. Например, при использовании в качестве упругогистерезисного элемента 13 места крепления в виде пакета 21, собранного из отдельных пар 30 гофрированных лент 20 (см. фиг. 8), - замков 4 лопаток 5 по вершинам гофров пакета 21, вершин гофров пакета 21 по замкам 11 и полукольцам 19 ленты-ограничителя и между лентами 20 пакета 21.
Кроме того, энергия колебаний системы «место крепления лопаток - рабочие лопатки - демпфирующее устройство» рассеивается за счет аэродинамического демпфирования колебаний рабочих лопаток 6 и рассеивания в материале рабочих лопаток и бочке и дисках (если таковые имеются) ротора бустера и компрессора. Последний вид демпфирования очень мал по сравнению с конструкционным демпфированием в предлагаемых местах крепления рабочих лопаток, и им можно пренебречь.
Отметим, что у предлагаемых мест крепления лопаток демпфирующие устройства эффективно гасят любую форму колебаний рабочих лопаток.
Качественный характер нагружения рабочей лопатки предлагаемого места крепления с упругогистерезисным элементом 13 в виде пакета 21 рабочими постоянной и циклической динамической нагрузкой - моментной или силовой показан на фиг. 15. На начальном линейном участке 66 первого рабочего процесса нагружения 67 лопатка нагружается, как упругое тело, без взаимных упругих проскальзываний замка 4 лопатки по контактирующим с ним поверхностям. При дальнейшем росте нагрузки лопатка нагружается по нелинейному участку 68 процесса 67 с постепенным расширением зоны взаимных проскальзываний замка 4 лопатки по боковым поверхностям кольцевой профилированной канавки 3 и вершинам гофров пакета 21, контактирующим с замком лопатки. Затем при дальнейшем росте нагрузки постепенно расширяется зона, где вследствие поворота лопатки (замка) натяг по боковым сторонам ее замка обнуляется и в этой зоне становятся равными нулю силы трения на боковых сторонах замка. В точке 69 эти силы трения становятся равными нулю на всей поверхности боковых сторон замка 4, и лопатка становится упруго подвешенной на пакете 21. Дальнейшее нагружение лопатки описывается нелинейным участком 70, на котором при деформации пакета 21 продолжается проскальзывание с сухим трением вершин его гофров, как по замкам 4 лопаток 5, так и по полукольцам 19 ленты-ограничителя 18 и замкам 11. В некоторый момент времени скорость колебаний становится равной нулю и изменяется ее направление. Лопатка нагружается по второму рабочему разгрузочному процессу 71. На начальном линейном участке 72 этого процесса система «рабочая лопатка - пакет 21» упруго деформируется без взаимных проскальзываний на контактных поверхностях. При дальнейшей разгрузке этой системы она деформируется по нелинейному участку 73, на котором происходит отслоение лопатки от пакета 21 и пакет деформируется с постепенным распространением проскальзывания вершин гофров лент 20 пакета относительно друг друга и относительно ленты-ограничителя 18 от крайних к центральной вершине каждой ленты 20. Далее система деформируется с наименьшей жесткостью с полностью расслоенным пакетом 21, как по вершинам гофров, так и по слоям пакета, пока в точке 74 замок 4 лопатки по его боковым поверхностям войдет в контакт с кольцевой профилированной канавкой 3. При этом жесткость вновь образовавшейся системы «место крепления - рабочая лопатка - демпфирующее устройство» сильно возрастает и дальнейшее ее нагружение, при котором снова создается натяг по боковым сторонам замка лопатки, описывается участком 75 разгрузочного процесса 71. Снова в некоторой точке 76 скорость колебания лопатки станет равной нулю, и скорость сменит знак. Далее система будет нагружаться по повторному нагрузочному процессу 77, содержащему качественно аналогичные участки участкам первого нагрузочного процесса 67 пока петля гистерезиса не замкнется в точке 78.
Следует заметить, что действительные процессы нагружения значительно сложнее, чем в рассмотренном примере, так как на пакет опирается достаточно большое количество лопаток, совершающих колебания с разными амплитудами и в разных фазах и законы возбуждающих нагрузок, действующих на лопатки, могут существенно отличаться от гармонического.
Но рассмотренный простой пример, по нашему мнению, убедительно доказывает возможность эффективного гашения колебаний рабочих лопаток бустера и компрессора при практическом использовании предлагаемых мест крепления без снижения эксплуатационных характеристик двигателя - удельной тяги и кпд, ресурса и ремонтопригодности при незначительном увеличении его массы.
Основные преимущества предлагаемых конструкций описаны выше.
Причем, подчеркнем еще раз, что предлагаемые конструкции мест крепления рабочих лопаток с замками «ласточкин хвост», установленных в кольцевые канавки бочки рабочего колеса с демпфирующими устройствами, пригодными для эффективного гашения колебаний рабочих лопаток по сути своей являются пионерскими решениями. Эти устройства достаточно просты конструктивно, компактны и незначительно ухудшают массовые характеристики рабочих колес и в целом роторов турбомашины, не портят законов обтекания рабочих лопаток газом и не ухудшают условий герметичности отдельных ступеней роторов турбомашины, т.е. не снижают кпд рабочих колес и турбомашины в целом.
Предлагаемые конструкции при должном подборе материалов их деталей могут работать при высоких температурах, в условиях отсутствия смазки и агрессивной среды, и обладают достаточно большой наработкой между ремонтами и достаточно хорошей ремонтопригодностью, по крайней мере, не меньшей, чем у «классических» рабочих колес роторов авиационных ГТД четвертого поколения, так как рабочие лопатки и другие детали предлагаемых мест крепления могут быть заменены на новые в случае их недопустимого износа или поломки.
К числу положительных качеств предлагаемых мест крепления лопаток следует также отнести возможность изменения в достаточно широких пределах упругогистерезисных свойств пакета без изменения конструкции деталей места крепления и технологического оборудования (штампа для изготовления пакета и приспособления для сборки места крепления) только за счет изменения величины натяга гофров пакета и его жесткости увеличением или уменьшением числа гофрированных лент в пакете, установкой дополнительных гладких лент на промежуточную проставку или путем замены части гофрированных лент гладкими, которые также устанавливаются на промежуточную проставку. При этом могут устанавливаться гофрированные и гладкие ленты с разной требуемой толщиной.
В заключение заметим, что уже сейчас можно разработать методологию проведения виртуального эксперимента по определению параметров всех предлагаемых мест крепления, обеспечивающих оптимальную и конечную настройку этих систем.
Библиографический список
1. А.с. 333277. Ротор турбомашины / Н.С. Кондратов, П.Д. Вильнер, И.Д. Эскин. - Заявлено 12.11.1966. Опубл. 23.03.1972, Бюл. №11.
2. Киселев Ю.В. Двигатель SaM 146. Устройство основных узлов / Ю.В. Киселев, Д.Ю. Киселев. - Электронное учебное пособие. СГАУ, Самара, 2012 г., стр. 22.
3. Патент США №5205714, 27.04.1993.
4. Патент США №6283707, 04.09.2001.
5. 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. - Опубл. http://www.findpatent.ru/patent/246/2461717/html.
6. Скубачевский Г.С. Авиационные газотурбинные двигатели. Конструкция и расчет деталей. Из-е 2-ое, допол. Учебник для авиационных вузов / Г.С. Скубачевский. - М.: Машиностроение. 1965. - 451 с., фиг. 7. 31.
7. Эскин И.Д. Исследование обобщенных упругофрикционных характеристик демпферов и амортизаторов авиационных двигателей: дис… канд. тех. наук / И.Д. Эскин. - Куйбышев: КуАИ, 1973. - 150 с. и приложение к этой дис. - 315 с.
8. Эскин И.Д. Циклическое сжатие многослойного многопролетного гофрированного пакета / И.Д. Эскин, Р.И. Алкеев, В.И. Иващенко // Вестник СГАУ. - №1 (39), 2013. - С. 178-191.
9. Эскин И.Д. Экспериментальные и расчетные исследования моделей циклического сжатия многослойного многопролетного гофрированного пакета / И.Д. Эскин, Р.И. Алкеев, В.И. Иващенко // Вестник СГАУ. - №1 (39), 2013. - С. 192-200.