Ротор вентилятора авиационного ТРДД с длинными широкохордными пустотелыми лопатками с демпферами
AIRCRAFT TURBOJET ENGINE FAN ROTOR WITH LONG WIDE-CHORD HOLLOW BLADES WITH DAMPERS

Изобретение относится к области авиадвигателестроения, а именно к вентиляторам авиационных ТРДД.
Известна конструкция вентилятора с широкохордыми пустотелыми лопатками двигателя Trent 900 фирмы Rolls - Royce, который устанавливается на самолет Аэробус А380 - 800. Лопатка изготовлена из титанового сплава и внутри упрочнена плоскими радиальными ребрами по принципу строительной фермы Уоррена (решетка из равносторонних треугольников). Это делает лопатку прочной, жесткой и легкой. Технология изготовления лопатки предусматривает придание плоским пластинам, из которых выполнены поверхности лопатки с частью замка, заданной формы и размеров оболочек лопатки, укладывание оболочек и заранее изготовленных радиальных ребер в штамп, повторяющий форму и размеры лопатки, и диффузионное сращивание по периметру касания оболочек между собой и ребрами при внешнем давлении и температуре 920-950°С и последующим деформированием лопатки в состоянии сверхпластичности титана для придания ей окончательной формы (см. Trent 900. Лопатка широкохордая пустотелая из титанового сплава. Интернет, ya-pilot.ru/viewtopic.php%3Fpid=S21.html и Интернет.Sovremennye lopatki ventilyatora.pptx).
Общим недостатком пустотелых широкохордых лопаток, описанных в этих работах, является то обстоятельство, что в конструкции этих лопаток не предусмотрена установка специального демпфирующего устройства, что при очень крупных размерах этих лопаток и подверженности их большим вибрационным и ударным нагрузкам оказывается важной проблемой, вследствие чего появляются усталостные трещины при колебании лопаток в полете. В эксплуатации даже вынуждены вводить периодические осмотры лопаток для выявления трещин, и может оказаться, что в ряде практических случаях конструктор столкнется с необходимостью разработки конструкции пустотелой широкохордой лопатки с высокоэффективным демпфирующим устройством и способа ее изготовления.
Конструкционное демпфирование (в замке лопатки) и демпфирование в материале этих лопаток мало, а аэродинамическое демпфирование резко падает на нерасчетных режимах (см. Б.Ф. Шорр, Г.В. Мельникова, Н.Н. Серебряков "Разработка технологий демпфирования рабочих лопаток турбин ТВД", ТО №13496, 2009). Поэтому для предотвращения опасных резонансных колебаний лопаток применяют специальные демпфирующие устройства. В известных случаях это устройства конструкционного демпфирования, в которых энергия колебаний рассеивается за счет работы сил сухого (кулонова) трения между контактирующими поверхностями при их взаимном упругом проскальзывании в процессе колебаний. Этот вид 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 ухудшающие габаритные, массовые, технологические, конструктивные характеристики рабочих колес турбомашин и при этом улучшающие эксплуатационные характеристики этих колес и турбомашины в целом.
Нам не удалось отыскать хотя бы один пример успешного практического применения в серийно выпускаемой турбомашине специальных демпфирующих устройств пустотелых широкохордых лопаток вентилятора.
Достаточно подробный анализ достоинств и недостатков известных запатентованных конструкций лопаток с демпфирующими устройствами с конструкционным демпфированием изложен в работе (см. патент РФ №2626523. Эскин И.Д. Длинная пустотелая широкохордая лопатка вентилятора и способ ее изготовления / Эскин И.Д. и А.И. Ермаков, опуб. 28.07.2017. Бюл. №2) и здесь не приводится.
Известна конструкция ротора вентилятора авиационного ТРДД с рабочими широкохордыми лопатками со скрепленным с ним ротором компрессора низкого давления (см. патент РФ №2665789. МПК F01D 5/26 И.Д. Эскин [и др.]. Ротор компрессора авиационного газотурбинного двигателя с спаркой блисков и спаркой блиска с рабочим колесом с замковыми креплениями лопаток и с спаркой рабочего колеса с замковыми креплениями лопаток с рабочим колесом четвертой по шестую ступень с устройствами демпфирования колебаний рабочих лопаток этих блисков и рабочих колес. Ротор вентилятора и ротор компрессора низкого давления с устройством демпфирования колебаний рабочих широкохордных лопаток вентилятора. Способ сборки спарки с демпфирующим устройством - Опубл. 04.09.2018), состоящая из рабочего колеса вентилятора и единого рабочего колеса с первой по третью ступени КНД и двух коков - переднего и заднего, закрывающих ступицу рабочего колеса, спереди на рабочем колесе вентилятора с помощью замков «ласточкин хвост» закреплены рабочие широкохордные лопатки, передний кок задним фланцем винтами крепится к переднему фланцу заднего кока, фиксация лопатки в осевом направлении осуществляется при помощи стопорного язычка, выполненного на задней части замка лопатки, который при стопорении входит в зацепление с пружинным фланцем ротора КНД, и при помощи проставки, устанавливаемой в паз под замком, на передней части которой выполнен клинообразный уступ, в который упирается замок лопатки, проставки от осевого смещения зафиксированы при помощи предохранительного кольца, которое вместе с задним коком крепится болтами, шайбами и самоконтрящимися гайками на переднем фигурном фланце, выполненном на торце обода рабочего колеса, промежутки между лопатками закрыты платформами, пазы под замки лопаток выполнены на всей ширине обода колеса ротора вентилятора, и на наружной поверхности обода выполнены два фланца в виде равнорасположенных в межлопаточных промежутках проушин с отверстиями под болты, один фланец расположен в средней части обода и к нему прикреплены платформы, другой фланец и центрирующий поясок выполнены у заднего торца обода и к этому фланцу своим фланцем крепится ротор КНД и центрируется по этому пояску, головки болтов частично срезаны таким образом, чтобы не происходил проворот болтов при наворачивание на болты самоконтрящихся гаек, перо широкохордных лопаток выполнено так, что хорды поперечных сечений средней части пера, начиная с сечения, расположенного непосредственно над платформой больше хорды корневого сечения лопатки, а единое рабочее колесо с первой по третью ступени КНД, выполнено в виде пустотелой бочки с тремя кольцевыми приливами на ее внешней и внутренней поверхности, в которых выполнены кольцевые канавки с поперечным сечением «ласточкин хвост», в которых своими замками жестко закреплены рабочие лопатки, отличающийся тем, что рабочее колесо вентилятора вместе с скрепленным с ним рабочим колесом КНД образуют спарку, у широкохордных лопаток первого колеса которой, рабочего колеса вентилятора, из пера лопатки, начиная с его поперечного сечения, расположенного непосредственно над платформой, у задней кромки пера, изъят четырехугольный фрагмент пера в форме трапеции или прямоугольника, одной стороной которых является задняя кромка пера лопатки, и у пера лопатки внутренний угол между сторонами, служащими верхним основанием и боковой стороной этого четырехугольника, скруглен радиусом, и этот угол равен или больше 90°, с текущим значением ширины фрагмента, измеренной в направлении хорды поперечного сечения лопатки, равной разности длин хорд текущего поперечного сечения пера лопатки и его поперечного сечения, расположенного непосредственно над платформой, а наружная поверхность фланца ротора КНД, которым ротор крепится к рабочему колесу вентилятора, вместе с наружными поверхностями платформ и наружной поверхностью внутреннего кольца НА первой ступени КНД образуют часть поверхности газового тракта, во фланце ротора КНД со стороны рабочего колеса вентилятора на диаметре, большем диаметра, на котором расположены отверстия под болты, выполнена кольцевая канавка, концентричная оси ротора, а в наружной полке этой канавки выполнены сквозные пазы, с вершиной, выполненной по дуге окружности, касательной к боковым сторонам паза, и радиально равнорасположенные ответно лопаткам рабочего колеса вентилятора, в кольцевую канавку с натягом по ее полкам вставлен упругогистерезисный элемент, выполненный в виде кольцевого многослойного многопролетного пакета с числом лент в гофрированном пакете n=10÷15, а в радиально расположенные пазы своими основаниями без зазора или с очень малым зазором по стенкам паза, предпочтительно с зазором, меньшим 0,02 мм, вставлены до упора основаниями в упругогистерезисный элемент фрикционные элементы, состоящие из основания, в плане точно повторяющего форму паза, и пера, имеющего геометрическую форму фрагмента, изъятого из каждой широкохордой лопатки, причем торец основания фрикционного элемента, контактирующий с упругогистерезисным элементом, может быть плоским, выпуклым цилиндрическим с большим радиусом и осью цилиндра, параллельной оси ротора, или выпуклым сферическим с большим радиусом, и ротор КНД, второе колесо спарки, закреплено таким образом, что перо каждого фрикционного элемента точно занимает место изъятого фрагмента пера широкохордой лопатки, при этом создается требуемая величина нагрузки, прижимающей фрикционный элемент к стороне пера лопатки, контактирующей с верхним торцом пера фрикционного элемента, созданная засчет большой упругой деформации упругогистерезисного элемента, полностью или неполностью выпрямляющей его, а на всех рабочих режимах двигателя фрикционный элемент дополнительно еще прижимается центробежной силой, созданной его массой, и пружинный фланец ротора КНД выполнен в виде штампованного из листа плоского кольца с упругими радиально расположенными соответственно замкам широкохордых лопаток лепестками, за которые замки лопаток зацеплены своими стопорными язычками, а сам пружинный фланец закреплен на фланце ротора КНД в месте крепления рабочего колеса вентилятора, при этом между сторонами перьев лопаток и ответными торцами оснований фрикционных элементов натяг равен нулю или имеется малый зазор, предпочтительно 0,01÷0,02 мм, а толщина основания фрикционного элемента и форма его наружной поверхности выполнены такими, чтобы в собранном роторе наружная поверхность оснований фрикционных элементов и наружная поверхность фланца, в пазах которого они расположены, составляла одну поверхность, и высота пера фрикционного элемента выбрана такой, чтобы его верхний торец и ответная сторона пера широкохордой лопатки, контактирующая с ним, располагались вне узлов опасных форм колебаний лопатки, в месте больших амплитуд смещений ее пера, при которых бы происходило взаимное проскальзывание с сухим трением верхнего торца фрикционного элемента и ответной ему стороны пера лопатки, и трущиеся с сухим трением поверхности системы «рабочее колесо вентилятора - рабочие лопатки - демпфирующие устройства» покрыты износостойким покрытием, предпочтительно серебрением, а оптимальная и конечная настройки системы «фрагмент рабочего колеса вентилятора - рабочая широкохордая лопатка - демпфирующее устройство» и размерные параметры демпфирующего устройства определяются из виртуального эксперимента.
Кроме того, длинные широкохордые лопатки ротора вентилятора могут быть выполнены пустотелыми, а перо фрикционного элемента, выполняется непустотелым или пустотелым с геометрией изъятого фрагмента пера лопатки, и торец пера фрикционного элемента контактирует с элементом силового каркаса пера пустотелой широкохордой лопатки.
Конструкции роторов вентилятора, КНД и КВД, предложенные Эскиным И.Д., (см. патент РФ №2665789), по нашему мнению, могут оказаться полезными и конструктивными во многих практических случаях, когда требуется эффективное демпфирование колебаний рабочих лопаток блисков компрессоров и длинных широкохордых пустотелых лопаток ротора вентилятора.
Однако требование, налагаемое на жесткость фрикционного элемента -жесткость фрикционного элемента не может быть меньше величины одного порядка с жесткостью лопатки, выполнение которого обеспечивает эффективное гашение колебаний рабочих лопаток блисков и длинных широкохордых пустотелых лопаток ротора вентилятора, в отдельных случаях, может привести к тому, что масса фрикционного элемента окажется слишком большой и центробежные силы, создаваемые этой массой, на отдельных режимах работы ТРДД будут создавать слишком большое удельное давление по торцу фрикционного элемента, контактирующему с лопаткой, и при колебании лопатки взаимные упругие проскальзывания фрикционного элемента и лопатки могут полностью отсутствовать и устройства по патенту РФ №2665789 этом случае окажутся бесполезными.
Поэтому ставится задача расширения диапазона полезного использования устройств с такими же принципами организации демпфирования колебания рабочих лопаток и на отдельные случаи, когда использование устройств по патенту РФ №2665789 по вышеуказанной причине оказывается бесполезным. Причем технологию изготовления длинных широкохордых пустотелых лопаток ротора вентилятора из титанового сплава постараемся приблизить к серийной технологии их изготовления (см. Интернет.Sovremennye lopatki ventilyatora.pptx и Интернет.Trent 900. Лопатка широкохордая пустотелая из титанового сплава. Ya-pilot.ru/viewtopic.php%3Fpid=821.html).
В настоящее время на многих отечественных и зарубежных авиационных ТРДД лопатки вентиляторов выполняют саблевидными. Заметим, что впервые в практике авиадвигателестроения саблевидные лопатки были установлены на первой ступени ротора вентилятора ТРДД НК - 8 (Н.И. Старцев. Конструкция и проектирование авиационных газотурбинных двигателей. Книга первая. Основы проектирования ГТД. Конструктивные схемы. Компрессоры. Турбины. Двигатель. 2018. 400 с.). У современных авиационных ТРДД вентиляторы выполняются одноступенчатыми. Для сверхзвуковых военных самолетов вентиляторы ТРДД выполняются с ВНА, к которому крепится невращающийся кок, а у гражданских дозвуковых самолетов ВНА не ставится и вращающийся кок (или два кока - задний и передний) крепится к ротору (втулке или диску) вентилятора. Большой проблемой является обледенение в полете кока. Для защиты от обледенения в невращающийся кок подается горячий воздух, с обледенением вращающегося кока борются подбором его геометрической формы (обычно геометрической формы переднего кока).
Конструкция ротора вентилятора ТРДД по патенту РФ №2665789 по технической сущности наиболее близка к предлагаемой и принята за прототип.
л
л
Поставленная задача решается тем, что предлагается конструкция ротора вентилятора авиационного ТРДД, содержащая втулку с фланцами для крепления кока и барабана ротора подпорных ступеней, задний кок, закрепленный на втулке, передний кок, закрепленный на заднем коке, длинные широкохордые пустотелые лопатки с силовыми элементами, закрепленные в пазах обода втулки замками «ласточкин хвост», замок, замковая часть и перо каждой лопатки выполнено без четырехугольного фрагмента в форме трапеции или прямоугольника, одной стороной которого является кромка пера лопатки, и у пера лопатки внутренний угол между сторонами, служащими верхним основанием и боковой стороной этого четырехугольника, скруглен радиусом, и этот угол больше 90°, а обод втулки выполнен только на длине хорды основания пера лопатки, и длина замка лопатки равна или меньше длины обода втулки и замок лопатки не выступает за торцы обода, в детали, закрепленной на втулке, на диаметре, большем диаметра, на котором расположены отверстия под болты, выполнена кольцевая канавка, концентричная оси ротора, а в наружной полке этой канавки выполнены сквозные пазы, с вершиной, выполненной по дуге окружности, касательной к боковым сторонам паза, и радиально равнорасположенные ответно лопаткам рабочего колеса вентилятора, в кольцевую канавку с натягом по ее полкам вставлен упругогистерезисный элемент, выполненный в виде кольцевого многослойного многопролетного гофрированного пакета, набранного из нагартованных или каленых шлифованных лент из нержавеющей стали, а в радиально расположенные пазы своими основаниями без зазора или с очень малым зазором по стенкам паза, предпочтительно с зазором, меньшим 0,02 мм, вставлены до упора основаниями в упругогистерезисный элемент фрикционные элементы, состоящие из основания, в плане точно повторяющего форму паза, и пера, имеющего геометрическую форму фрагмента, изъятого из каждой широкохордой лопатки, причем торец основания фрикционного элемента, контактирующий с упругогистерезисным элементом, может быть плоским, выпуклым цилиндрическим с большим радиусом и осью цилиндра, лежащей в радиальной плоскости ротора, или выпуклым сферическим с большим радиусом, и фрикционный элемент выполнен пустотелым, и высота пера фрикционного элемента выбрана такой, чтобы его верхний торец и ответная сторона пера широкохордой лопатки, контактирующая с ним, располагались вне узлов опасных форм колебаний лопатки, в месте больших амплитуд смещений ее пера, и трущиеся с сухим трением поверхности системы «рабочее колесо вентилятора - рабочие лопатки - демпфирующие устройства» покрыты износостойким покрытием, а оптимальная и конечная настройки системы «фрагмент рабочего колеса вентилятора - рабочая широкохордая лопатка - демпфирующее устройство» и размерные параметры демпфирующего устройства определяются из виртуального эксперимента, отличающаяся тем, что лопатки выполнены саблевидными и состоят каждая из двух половин, изготовленных из титанового сплава, и каждая половина состоит из оболочки, замковой части и ребер, выполненных внутри пера лопатки на некоторых расстояниях от кромок лопатки, и по линии контакта фрикционного элемента с пером лопатки, и ребра, расположенные внутри пера лопатки, соединены с концевыми частями половин лопатки, образующими концевую часть лопатки со сплошным поперечным сечением, и половины лопатки по ее срединной поверхности - местам контакта ребер, замковых и концевых частей половин лопатки жестко соединены между собой диффузионным сращиванием при температуре 920-950°С в вакууме, в штампе, повторяющем геометрическую форму готовой лопатки, при воздействии нагрузки, прижимающей половины лопатки друг к другу, и фрикционные элементы также выполнены из дух половин, изготовленных из титанового сплава, сращенных по периметру фрикционного элемента диффузионной сваркой при температуре 920-950°С в вакууме, в штампе, повторяющем геометрическую форму готового фрикционного элемента, при воздействии нагрузки, прижимающей его половины друг к другу, кольцевая канавка, в которой размещен упругогистерезисный элемент, и пазы, в которых своими основаниями размещены фрикционные элементы, выполнены во фланце заднего кока, которым он с помощью болтов со срезанными головками, шайб и самоконтрящихся гаек крепится к втулке, одной стороной фрагмента, изъятого из пера каждой лопатки, является передняя кромка лопатки, а кольцевая канавка выполнена с коническими опорными поверхностями, причем образующие этих поверхностей параллельны и вершины конусов расположены против полета и лежат на продольной оси двигателя, упругогистерезисный элемент, выполненный в виде многопролетного гофрированного пакета, набранного «гофр в гофр» из одной, двух, трех и более гофрированных лент с толщиной h=0,3÷0,5 мм, с угловым шагом гофра t=t/1; 2; 3, где t - угловой шаг лопаток вентилятора, стыки концов лент либо расположены в одном радиальном сечении, либо равномерно распределены по окружности и от проворота пакет гофрированных лент зафиксирован заклепкой, установленной в полках кольцевой канавки и круговой выфрезеровке в боку пакета, и торец основания фрикционного элемента либо плоско срезан под углом, равным половине угла конуса опорной поверхности кольцевой канавки, либо если торец основания выполнен цилиндрическим, образующие этой поверхности расположены к продольной горизонтальной оси ротора вентилятора под таким же углом, фрикционный элемент прижат упругой силой, созданной упругой деформацией гофра гофрированного пакета, и центробежной силой, созданной массой фрикционного элемента, верхним торцом и боковой стороной - поверхностями своих силовых элементов к контактирующим с ними ответным поверхностям силовых элементов лопатки, наружная поверхность заднего кока, расположенная между основаниями фрикционных элементов, поверхности их оснований, являющиеся как бы продолжением этих поверхностей и соединяющие их с поверхностями перьев фрикционных элементов, выполнены заподлицо с ответными поверхностями втулки, расположенными между замками лопаток, поверхностями замков лопаток и перьев лопаток и организуют вместе с этими поверхностями межлопаточный газовый канал, жесткость фрикционного элемента не меньше величины одного порядка с жесткостью пустотелой лопатки, и подобрана так, что на контактных поверхностях фрикционного элемента на всех опасных режимах колебания лопаток касательные напряжения преодолевают удельные силы сухого трения и происходят упругие взаимные проскальзывания с сухим трением на контактных поверхностях фрикционного элемента и колебания длинных пустотелых лопаток вентилятора эффективно гасятся на всех рабочих режимах двигателя, а гофры упругогистерезисного элемента при этом упруго циклически деформируются, и на взаимно контактирующие поверхности фрикционного элемента и лопатки и торец основания фрикционного элемента наплавлен слой износостойкого материала ВТН - 1, состоящего из твердых частиц карбида вольфрама и припоя ВПр - 16 на титановой основе в качестве связки толщиной 0,2÷0,5 мм, и лопатки зафиксированы от смещения вдоль пазов, в которых они закреплены, упором торцов их замков «ласточкин хвост» в полки кольцевой канавки во фланце заднего кока и в штифты, размещенные в пазах в замках лопаток, запрессованные во втулке в каждом пазу, в котором размещается замок лопатки.
Достаточно широкое применение саблевидных лопаток в конструкции вентиляторов авиационных ТРДД объясняется тем, что они при тех же наружных диаметрах втулки и ротора вентилятора, при той же длине лопатки, измеренной в радиальном направлении, позволяет применить лопатки с большей рабочей площадью и, следовательно, с лучшей газодинамической характеристикой.
При применении саблевидных лопаток в предлагаемом роторе вентилятора авиационного ТРДД предлагаемое решение обеспечивает возможность получения конструкции с более высокими упругофрикционными характеристиками (УФХ), чем возможное решение по патенту РФ №2665789 (см. ниже).
Величины углов наклона верхнего торца и торца основания фрикционного элемента и угла конусов полок кольцевой канавки во фланце заднего кока выбираются из условия создания требуемой величины удельной сдавливающей нагрузки на боковой поверхности и поверхности верхнего торца фрикционного элемента, контактирующих с ответными поверхностями лопатки, при сборке ротора вентилятора.
Плотное прижатие этих поверхностей обеспечивает стабильность формы ротора при неработающем двигателе, отсутствие «дребезга» при его запуске, и создание на рабочих режимах двигателя за счет действия центробежных сил, создаваемых массой фрикционного элемента, требуемых величин удельной сдавливающей нагрузки, распределенной по контактным поверхностям лопатки и фрикционного элемента.
Условимся называть «полезными» величины жесткости фрикционного элемента, при которых при колебании лопатки происходят упругие взаимные проскальзывания с сухим трением на контактных поверхностях элемента и колебания лопатки эффективно гасятся.
max
Предлагаемое решение по сравнению с решением патента РФ №2665789 расширяет диапазон «полезных» жесткостей фрикционного элемента в сторону увеличения этих жесткостей. При циклическом деформировании системы конструкционного демпфирования, состоящей из двух элементов, контактирующих с сухим трением, по мере увеличения жесткости одного элемента и приближения ее к жесткости другого элемента коэффициенты рассеивания системы Ψ растут (в том числе растет и максимальное значение коэффициента рассеивания Ψ) и достигают наибольших значений при одинаковой жесткости обоих элементов. На этом основании, как уже указывалось, можно сделать вывод, что предлагаемое решение расширяет возможности конструирования роторов вентиляторов авиационных ТРДД с более высокими УФХ по сравнению с решением патента РФ №2665789, в том числе, и на возможный случай, когда при использовании решения патента РФ №2665789 при жесткости фрикционного элемента, необходимой для эффективного гашения колебаний лопатки, его масса становится настолько большой, что создаваемая ей центробежная сила, в свою очередь, создает такую большую удельную сдавливающую нагрузку, распределенную по верхнему торцу фрикционного элемента, что на всех рабочих режимах двигателя или на части из них не будет происходить взаимного упругого проскальзывания с сухим трением лопатки и фрикционного элемента, контактирующих по этому торцу, и опасные колебания лопаток на этих режимах не будут гаситься. В случае предлагаемого решения при такой же массе и жесткости фрикционного элемента и, следовательно, такой же центробежной силе создаваемая ей удельная сдавливающая нагрузка распределяется на большей (возможно в разы) контактной поверхности - его верхнему торцу и боковой стороне и будет меньше (возможно в разы) и касательные напряжения будут преодолевать удельные силы трения на этих поверхностях и будут происходить взаимные упругие проскальзывания с сухим трением лопатки и фрикционного элемента и эффективно гаситься их опасные колебания.
r
0
0
r
При одинаковых расслоенных жесткостях С систем «лопатка-фрикционный элемент» и предлагаемой (здесь под расслоенной жесткостью этой системы понимается суммарная жесткость лопатки и фрикционного элемента, деформируемых с взаимными упругими проскальзываниями на всей их контактной поверхности) очевидно нерасслоенная жесткость предлагаемой системы «лопатка - фрикционный элемент» С (здесь под нерасслоенной жесткостью этой системы понимается суммарная жесткость лопатки и фрикционного элемента, деформируемых как единое целое, без взаимных упругих проскальзываний) больше аналогичной жесткости системы по патенту РФ №266578. Следовательно, относительная жесткость предлагаемой системы r=С/С больше относительной жесткости системы по патенту РФ №2665789. У систем конструкционного демпфирования с ростом относительной жесткости r растет коэффициент рассеивания системы Ψ.
Из вышесказанного следует, что при должном расчетном подборе в виртуальном эксперименте параметров предлагаемого ротора вентилятора авиационного ТРДД можно построить предлагаемый ротор вентилятора с более высокими УФХ (с более высокими значениями коэффициентами рассеивания Ψ), чем у ротора вентилятора по патенту РФ №2665789.
Как уже указывалось, при одной и той же величине центробежной силы, созданной массой фрикционного элемента, удельная сдавливающая нагрузка на контактных поверхностях каждой лопатки предлагаемого ротора вентилятора меньше, чем у ротора вентилятора по патенту РФ №2665789. Соответственно меньше и удельные силы трения на этих поверхностях, а, следовательно, меньше и интенсивность износа этих поверхностей у предлагаемого ротора вентилятора.
В работе (см. 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) показано, что при циклическом сжатии многослойного многопролетного гофрированного пакета между двумя абсолютно жесткими плитами преобладающая часть рассеиваемой энергии рассеивается за счет работы сил сухого трения при проскальзывании вершин гофров пакета - относительно жестких плит и процессы нагружения многопролетного пакета из n гофрированных лент при его упругой деформации достаточно точно описываются циклическим сжатием одной гофрированной ленты с такими же: числом пролетов m, шагом t, начальным выгибом гофра ƒ, шириной ленты b, модулем упругости Е и коэффициентом трения μ, с толщиной ленты  где h - толщина ленты гофрированного пакета.
Поэтому в предлагаемом роторе вентилятора упругогистерезисный элемент набран из небольшого числа гофрированных лент n=1, 2, 3 и более и при приблизительно таких же УФХ как у многослойного пакета по патенту РФ №2665789 этот пакет обладает меньшими массой и наружным диаметром.
Равномерное размещение стыков концов лент пакета (n=2, 3 и более) в разы улучшает его УФХ как за счет увеличения суммарной величины взаимных упругих проскальзываний лент пакета, так и увеличения сил сухого трения между лентами, обусловленного эффектом «накопления» действия сил трения при циклическом сжатии гофрированного многопролетного пакета (см. 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).
Геометрия поверхностей фрикционного элемента, участвующих в организации межлопаточного газового канала, выполнена одинаковой с геометрией соответствующих поверхностей изъятого фрагмента лопатки, на место которого он установлен. Поэтому геометрия межлопаточного газового канала предлагаемого ротора вентилятора не отличается от его геометрии у (известного) ротора вентилятора с такими же пустотелыми лопатками, но без специальных устройств демпфирования их колебаний.
Контакт фрикционного элемента с лопаткой по поверхностям их силовых элементов осуществляется по непрерывным поверхностям без прорех и разрывов и, следовательно, на большей площади контакта с меньшим удельным давлением и меньшими удельными силами трения, чем в свою очередь обеспечиваются более высокие УФХ предлагаемого ротора вентилятора и меньшая интенсивность износа контактирующих поверхностей лопаток и фрикционных элементов.
Диффузионное сращивание половин лопатки при температуре 920-950°С в вакууме выбрано потому, что оно применяется в серийной технологии изготовления пустотелых лопаток, изготовленных из титанового сплава, и обеспечивает их высокую прочность (см. Trent 900. Лопатка широкохордая пустотелая из титанового сплава. Интернет, ya-pilot.ru/viewtopic.php%3Fpid=821.html и Интернет.Sovremennye lopatki ventilyatora.pptx).
Наплавление на взаимно контактирующие поверхности фрикционного элемента и лопатки и торец основания фрикционного элемента слоя износостойкого материала ВТН - 1, состоящего из твердых частиц карбида вольфрама и припоя ВПр - 16 на титановой основе в качестве связки толщиной 0,2÷0,5 мм, выбрано потому, что известен опыт успешного применения этого износостойкого материала - наплавление слоя этого материала на контактные поверхности антивибрационных полок лопаток компрессора на предприятии «Салют», увеличившее срок службы лопаток в полтора раза (см. Упрочнение и защита деталей двигателей / Ю. Елисеев, С. Сакальский. Интернет, https://aviapanorama/su/1998/08/uprochnenie-i-zashita-detalej-dvigatelei/).
Предлагаемая конструкция ротора вентилятора авиационного ТРДД поясняется фигурами:
на фиг. 1 изображен продольный разрез предлагаемого ротора вентилятора;
на фиг. 2 изображен разрез по А-А на фиг. 1;
на фиг. 3 изображена длинная саблевидная широкохордая пустотелая лопатка без четырехугольного фрагмента, изъятый четырехугольный фрагмент лопатки на фиг. изображен штрихпунктирной линией с двумя точками, паз под штифт в замке лопатки на фиг. не показан;
на фиг. 4 изображена половина лопатки - спинка;
на фиг. 5 изображен разрез по Б-Б на фиг. 3;
на фиг. 6 изображен фрагмент ротора вентилятора в радиальном разрезе, проходящем через заклепку, фиксирующую гофрированный пакет от проворота, изображение увеличено;
на фиг. 7 изображен разрез по В-В на фиг. 6;
на фиг. 8 изображен разрез по Г-Г на фиг. 6;
на фиг. 9 изображен фрикционный элемент;
на фиг. 10 изображено приспособление для сборки упругогистерезисного элемента.
л
л
Предлагаемый ротор вентилятора авиационного ТРДД (см. фиг. 1) содержит втулку 1 с фланцами 2 для крепления кока и барабана ротора подпорных ступеней, задний кок 3, закрепленный на втулке 1, передний кок 4, закрепленный на заднем коке, длинные саблевидные широкохордые пустотелые лопатки 5, закрепленные в пазах 6 обода 7 втулки 1 замками «ласточкин хвост» 8 (см. фиг. 2), фрикционные элементы 9 и упругогистерезисный элемент 10. Замок 8, замковая часть 11 и перо 12 каждой лопатки 5 (см. фиг. 3) выполнено без четырехугольного фрагмента 13 в форме трапеции или прямоугольника, одной стороной которого является передняя кромка 14 пера 12 лопатки 5. У пера 12 лопатки 5 внутренний угол между сторонами, служащими верхним основанием 15 и боковой стороной 16 этого четырехугольника, скруглен радиусом, и этот угол больше 90°. Каждая лопатка 5 выполнена из двух половин - спинки 17 и корыта 18, изготовленных из титанового сплава, и каждая половина 17 (см. фиг. 4) и 18 состоит из оболочки 19, замковой части с замком 20 и силовых элементов -ребер 21, выполненных внутри пера 12 лопатки на некоторых расстояниях от кромок лопатки, и по линии контакта фрикционного элемента с пером лопатки. Ребра 21, расположенные внутри пера лопатки, соединены с замковыми 20 и концевыми частями 22 половин лопатки, образующими концевую часть лопатки со сплошным поперечным сечением. Половины 17 и 18 лопатки 5 (см. фиг. 2 и 5) по ее срединной поверхности -местам контакта ребер, замковых и концевых частей половин лопатки жестко соединены между собой диффузионным сращиванием при температуре 920-950°С в вакууме, в штампе, повторяющем геометрическую форму готовой лопатки, при воздействии нагрузки, прижимающей половины лопатки друг к другу. Обод 7 втулки 1 (см. фиг. 1) выполнен только на длине хорды основания пера 12 лопатки 5 (см. фиг. 3), и длина замка 8 лопатки равна или меньше длины обода втулки и замок лопатки не выступает за торцы обода. Во фланце 23 заднего кока 3 (см. фиг. 6), закрепленного на втулке 1 болтами 24 со срезанными головками, шайбами 25 и самоконтрящимися гайками 26, на диаметре, большем диаметра, на котором расположены отверстия под болты, выполнена кольцевая канавка 27, концентричная оси ротора, с коническими опорными поверхностями, причем образующие этих поверхностей параллельны и вершины конусов расположены против полета и лежат на продольной оси двигателя. В наружной полке 28 этой канавки выполнены сквозные пазы 29 (см. фиг. 7) с вершиной, выполненной по дуге окружности, касательной к боковым сторонам паза, и радиально равнорасположенные ответно лопаткам 5 рабочего колеса вентилятора. В кольцевую канавку 27 (см. фиг. 6) с натягом по ее полкам вставлен упругогистерезисный элемент 10, выполненный в виде кольцевого многопролетного гофрированного пакета, набранного «гофр в гофр» из одной, двух, трех и более нагартованных или каленых шлифованных гофрированных лент 30 из нержавеющей стали (см. фиг. 2) с толщиной h=0,3÷0,5 мм, с угловым шагом гофра t=t/1; 2; 3, где t - угловой шаг лопаток вентилятора. Стыки концов лент либо расположены в одном радиальном сечении, либо равномерно распределены по окружности (см. фиг. 10) и от проворота пакет 10 гофрированных лент зафиксирован заклепкой 31 (см. фиг. 6), установленной в полках кольцевой канавки 27 и круговой выфрезеровке в боку пакета 10 (см. фиг. 8). В пазы 29 (см. фиг. 1) своими основаниями без зазора или с очень малым зазором по стенкам паза, предпочтительно с зазором, меньшим 0,02 мм, вставлены до упора основаниями 32 в упругогистерезисный элемент 10 фрикционные элементы 9, состоящие из основания 32, в плане точно повторяющего форму паза 29, и пера 33 (см. фиг. 7 и 3), имеющего геометрическую форму фрагмента, изъятого из каждой широкохордой лопатки 5, и в лопатках занимают места изъятых фрагментов. Причем торец основания 32 фрикционного элемента 9 (см. фиг. 6), контактирующий с упругогистерезисным элементом 10, либо плоско срезан под углом, равным половине угла конуса опорной поверхности кольцевой канавки 27, либо цилиндрическим с большим радиусом и осью цилиндра, лежащей в радиальной плоскости ротора, и с образующими цилиндрической поверхности, расположенными к продольной горизонтальной оси ротора вентилятора под таким же углом, или выпуклым сферическим с большим радиусом. Фрикционный элемент 9 прижат упругой силой, созданной упругой деформацией гофра гофрированного пакета 10, и центробежной силой, созданной массой фрикционного элемента, верхним торцом и боковой стороной - поверхностями своих силовых элементов к контактирующим с ними ответным поверхностям силовых элементов лопатки 5. Фрикционный элемент 9 выполнен пустотелым, и высота пера 33 фрикционного элемента выбрана такой, чтобы его верхний торец и ответная сторона пера широкохордой лопатки 5, контактирующая с ним, располагались вне узлов опасных форм колебаний лопатки, в месте больших амплитуд смещений ее пера. Наружная поверхность заднего кока 3 (см. фиг. 2), расположенная между основаниями 32 фрикционных элементов 9, поверхности их оснований, являющиеся как бы продолжением этих поверхностей и соединяющие их с поверхностями перьев 33 фрикционных элементов, выполнены заподлицо с ответными поверхностями втулки 1, расположенными между замками 8 лопаток 5, поверхностями замков лопаток и перьев 12 лопаток и организуют вместе с этими поверхностями межлопаточный газовый канал 34. Жесткость фрикционного элемента не меньше величины одного порядка с жесткостью пустотелой лопатки, и подобрана так, что на контактных поверхностях фрикционного элемента на всех опасных режимах колебания лопаток касательные напряжения преодолевают удельные силы сухого трения и происходят упругие взаимные проскальзывания с сухим трением на контактных поверхностях фрикционного элемента и колебания длинных пустотелых лопаток вентилятора эффективно гасятся на всех рабочих режимах двигателя, а гофры упругогистерезисного элемента при этом упруго циклически деформируются. Причем каждый фрикционный элемент 9 также выполнен из двух половин 35 и 36 (см. фиг. 9), изготовленных из титанового сплава, сращенных по периметру фрикционного элемента диффузионной сваркой при температуре 920-950°С в вакууме, в штампе, повторяющем геометрическую форму готового фрикционного элемента, при воздействии нагрузки, прижимающей его половины друг к другу. На взаимно контактирующие поверхности фрикционного элемента 9 и лопатки 5 и торец основания 32 фрикционного элемента (см. фиг. 6) наплавлен слой износостойкого материала ВТН - 1, состоящего из твердых частиц карбида вольфрама и припоя ВПр - 16 на титановой основе в качестве связки толщиной 0,2÷0,5 мм. Лопатки 5 (см. фиг. 2) зафиксированы от смещения вдоль пазов, в которых они закреплены, упором торцов их замков «ласточкин хвост» 8 в полки кольцевой канавки 27 во фланце заднего кока 3 и в штифты 37, размещенные в пазах 38 (см. фиг. 6) в замках лопаток, запрессованные во втулке 1 в каждом пазу, в котором размещается замок лопатки.
Сборку предлагаемого ротора вентилятора авиационного ТРДД производят следующим образом:
в приспособлении (см. фиг. 10) собирают упругогистерезисный элемент - многопролетный гофрированный пакет 10 и пуансоном 39 и секторами 40 одновременно сжимают его по радиальным направлениям и создают заданную величину натяга 8 в мм по вершинам его гофров;
выталкивают сжатый пакет 10 толкателем (на фиг. не показано) в кольцевую канавку 27 заднего кока 3 (см. фиг. 1);
устанавливают лопатки 5 в пазы во втулке 1 до упора замками «ласточкин хвост» в штифты 37, запрессованные в пазы втулки;
н
устанавливают фрикционные элементы 9 в пазы 29 (см. фиг. 1) заднего кока 3 и устанавливают эту сборочную единицу на втулку 1, собранную с лопатками 5 и закрепляют ее на втулке 1 болтами 24, шайбами 25 и самоконтрящимися гайками 26. При этом гофры пакета 10 сжимаются полностью или на заданную величину δ в мм и прижимают упругими силами фрикционные элементы контактирующими поверхностями - верхним торцом и боковой стороной к ответным поверхностям лопаток;
через отверстия под заклепку в полках канавки 27 делают круговую выфрезеровку в боку пакета 10 (см. фиг. 8) и устанавливают и расклепывают заклепку 31, фиксирующую от проворота пакет 10;
на заднем коке 3 винтами 41 (см. фиг. 6) закрепляют передний кок 4.
Заметим, что выполнение кока двигателя разъемным - в виде переднего и заднего кока обеспечивает возможность демонтажа предлагаемого ротора вентилятора без разборки всего двигателя.
Демпфирующее устройство лопаток предлагаемого ротора вентилятора авиационного ТРДД работает следующим образом: при колебаниях системы «втулка - рабочие лопатки - демпфирующее устройство» энергия колебаний рассеивается за счет работы сил сухого трения при взаимном упругом проскальзывании контактирующих элементов упругогистерезисного элемента 10 и на контактных поверхностях фрикционных элементов 9 при взаимном упругом проскальзывании пера 33 каждого фрикционного элемента 9 относительно пера 12 каждой лопатки 5 (см. фиг. 6) и основания 32 каждого фрикционного элемента 9 относительно упругогистерезисного элемента 10.
Предлагаемый ротор вентилятора авиационного ТРДД обладает всеми преимуществами ротора вентилятора с упругогистерезисным элементом, выполненным в виде многослойного многопролетного гофрированного пакета, по патенту РФ №2665789. Эти преимущества подробно описаны в этом патенте и здесь не описываются. Преимущества предлагаемого ротора вентилятора по сравнению с ротором вентилятора по патенту РФ №2665789 (прототипом) описаны выше.
Кроме того, уже сейчас можно разработать методологию проведения виртуального эксперимента по определению расчетным подбором размерных параметров предлагаемого ротора вентилятора авиационного ТРДД, обеспечивающих оптимальную и конечную настройку этих систем, решив задачу о вынужденных колебаниях системы «фрагмент втулки - длинная саблевидная пустотелая широкохордая лопатка - демпфирующее устройство» методом МКЭ с использованием редактора «Ansys» и рекомендаций, разработанных Эскиным И.Д. Понятия оптимальной и конечной настроек и сами эти рекомендации подробно изложены в патенте РФ №2665789 и здесь не описываются.
В заключение заметим, что изложенные здесь идеи нетрудно использовать и в других конструкциях роторов вентиляторов авиационных ТРДД, например, в конструкциях с рабочими лопатками с ножками и трактовыми полками, в конструкциях с другим креплением лопаток и др.