ЛОПАТКА ВЕНТИЛЯТОРНОГО РОТОРА И ВЕНТИЛЯТОР
FAN ROTOR BLADE AND FAN

Область техники
Настоящее изобретение относится к вентилятору для подачи воздуха в проточный канал двигателя, выполненный внутри корпуса авиационного двигателя.
Уровень техники
В последнее время композитный материал (волокнит), изготовленный из пластика и армированного волокна, привлекает внимание в качестве высокопрочного и легкого материала и разрабатываются различные лопатки вентиляторных роторов, в которых используют такой композитный материал (см. патентные документы 1-4, перечисленные ниже).
В лопатке вентиляторного ротора, изготовленной с использованием вышеупомянутого композитного материала, ее перо изготовлено из композитного материала. Например, перо лопатки может быть изготовлено из композитного материала, состоящего из термореактивного пластика, такого как эпоксидная смола, или термопластичного пластика, такого как полиэфирэфиркетон (PEEK), и армированного волокна, такого как углеродное волокно. Кроме того, корпус лопатки имеет поверхность стороны всасывания (выпуклую поверхность) и поверхность стороны нагнетания (вогнутую поверхность).
Хвостовик лопатки выполнен как единое целое на базовом конце пера лопатки. Хвостовик лопатки также изготовлен из композитного материала, состоящего из термореактивного пластика, такого как эпоксидная смола, или термопластичного пластика, такого как полиэфирэфиркетон, и армированного волокна, такого как углеродное волокно. Кроме того, хвостовик лопатки сцеплен с соединительным пазом, выполненным на наружной поверхности диска вентилятора.
Вдоль передней кромки лопатки обеспечена обшивка для защиты передней кромки. Обшивка продолжается в направлении размаха лопатки и состоит из металла. Кроме того, вдоль задней кромки (или вдоль торцевой кромки и задней кромки) пера лопатки может быть обеспечен защитный элемент для укрепления корпуса лопатки. Аналогично обшивке защитный элемент состоит из металла.
Документы известного уровня техники
Патентные документы
Патентный документ 1: Выложенная патентная заявка Японии №2009-68493.
Патентный документ 2: Выложенная патентная заявка Японии №2008-32000.
Патентный документ 3: Выложенная патентная заявка Японии №Н9-217.
Патентный документ 4: Выданный патент США №5375978.
Сущность изобретения
Техническая задача
Чтобы гарантировать достаточную ударопрочность лопатки вентиляторного ротора по отношению к препятствию, такому как птица или кусок льда, который засосало в корпус двигателя, обычно бывает необходимо не только обеспечить обшивку вдоль передней кромки корпуса лопатки, но также обеспечить защитный элемент вдоль задней кромки, как объяснялось выше, или сделать корпус лопатки толстым. Однако если вдоль задней кромки обеспечен защитный элемент, то увеличивается количество компонентов лопатки вентиляторного ротора, и его конструкция становится более сложной, в результате чего ухудшаются параметры легкости. Кроме того, если корпус лопатки сделать толстым, его аэродинамические характеристики подвергаются ухудшению, как и параметры легкости.
Задачей настоящего изобретения является создание лопатки вентиляторного ротора, в которой используется композитный материал и которая обладает достаточной ударопрочностью, и вентилятора, в котором используется данная лопатка.
Техническое решение
Первый объект настоящего изобретения обеспечивает лопатку вентиляторного ротора, изготовленную из композитного материала, состоящего из термореактивного или термопластичного пластика и армированного волокна, предназначенную для использования в вентиляторе для подачи воздуха в проточный канал двигателя, выполненный внутри корпуса авиационного двигателя, которая включает в себя: перо лопатки, которое изготовлено из композитного материала и имеет поверхность стороны всасывания с одной стороны и поверхность стороны нагнетания с другой стороны; хвостовик лопатки, выполненный как одно целое на базовом конце пера лопатки из композитного материала, который можно соединять с соединительным пазом, выполненным на наружной периферии диска вентилятора; и металлическую обшивку, прикрепленную к передней кромке пера лопатки и продолжающуюся в направлении размаха, для защиты передней кромки, при этом обшивка включает в себя основную часть, которая постепенно становится тоньше по направлению вперед, и пару соединительных фланцев, продолжающихся как одно целое от обеих задних кромок основной части обшивки, и обшивка разделена на базовый сегмент обшивки со стороны базового конца пера лопатки и верхний сегмент обшивки со стороны верхнего конца пера лопатки, при этом базовый сегмент обшивки плавно переходит в верхний сегмент, и длина верхнего сегмента больше длины базового сегмента в направлении размаха, при этом длина “k” основной части обшивки в предполагаемом месте удара, которое представляет собой самый дальний участок верхнего сегмента обшивки в радиальном направлении, который будет контактировать с препятствием, засасываемым в корпус двигателя, составляет 10% хорды ≤ k ≤ 60% хорды, при этом предполагаемое место удара (Р) находится на расстоянии 80% размаха от базового конца обшивки (51), и длина “m” обшивки (51) вдоль торцевой кромки лопатки (23) вентиляторного ротора составляет m ≥ 40% хорды.
Следует отметить, что термин «лопатка вентиляторного ротора» охватывает не только лопатку вентиляторного ротора в узком смысле, но также и лопатку ротора компрессора, которая обеспечена с самой задней по ходу стороны для забора воздуха в корпус двигателя. Кроме того, термин «длина обшивки» означает длину в направлении, соединяющем эквивалентные положения размаха на передней кромке и задней кромке лопатки вентиляторного ротора.
Согласно первому объекту, так как длина “k” основной части обшивки в предполагаемом месте удара составляет 10% хорды ≤ k ≤ 60% хорды, энергия соударения с препятствием, таким как птица или кусок льда, может быть уменьшена в значительной степени. Кроме того, так как описанная выше длина обшивки вдоль торцевой кромки лопатки вентиляторного ротора равна или больше чем 40% хорды, максимальное натяжение от волны напряжения, создаваемой на торцевой кромке лопатки вентиляторного ротора ударом препятствия о лопатку вентиляторного ротора, можно сделать равным или меньшим, чем максимальный допустимый критерий натяжения. Следовательно, может быть гарантирована достаточная ударопрочность лопатки вентиляторного ротора без обеспечения защитного элемента для укрепления пера лопатки вдоль задней кромки пера лопатки и так далее, а также без утолщения пера лопатки. Кроме того, конструкцию лопатки вентиляторного ротора можно упростить, и лопатку вентиляторного ротора можно сделать легкой, уменьшив количество компонентов лопатки вентиляторного ротора без ухудшения аэродинамических характеристик лопатки вентиляторного ротора.
Предпочтительно, длина “k” основной части (53) обшивки в предполагаемом месте (Р) удара составляет 10% хорды ≤ k ≤ 30% хорды.
Предпочтительно, длина “m” обшивки (51) вдоль торцевой кромки составляет 40% хорды ≤ m ≤ 60% хорды.
Предпочтительно, длина обшивки (51) в направлении хорды постепенно увеличивается от базового сегмента (51Н) обшивки к верхнему сегменту (51Т) обшивки.
Предпочтительно, все части, кроме обшивки (51), изготовлены из композитного материала.
Второй объект настоящего изобретения обеспечивает вентилятор, который подает воздух в проточный канал двигателя, выполненный внутри корпуса авиационного двигателя, и включает в себя: диск вентилятора, который обеспечен внутри корпуса двигателя с возможностью вращения вокруг осевого центра и на наружной периферии которого выполнено множество соединительных пазов; и множество лопаток вентиляторного ротора согласно первому объекту, которые соединены с множеством соединительных пазов соответственно.
Согласно первому объекту, в дополнение к получению преимуществ согласно первому объекту, лопатка вентиляторного ротора вращается как единое целое с диском вентилятора, который приводится во вращение при включении авиационного двигателя, чтобы можно было подавать воздух в проточный канал двигателя внутри корпуса двигателя.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 - вид сбоку лопатки вентиляторного ротора согласно одному из вариантов осуществления.
Фиг.2 - увеличенный вид в разрезе по линии II-II, показанной на фиг.1.
Фиг.3 - вид сбоку в разрезе переднего участка авиационного двигателя, включая лопатку (лопатки) вентиляторного ротора.
Фиг.4 - вид сбоку, на котором показана длина k основной части обшивки в месте предполагаемого столкновения и длина m обшивки вдоль торцевой кромки лопатки вентиляторного ротора.
Фиг.5 - график, на котором показано соотношение между длиной k обшивки и энергией соударения с препятствием.
Фиг.6 - диаграмма, на которой показано соотношение (соотношения) между положением относительно передней кромки на торцевой кромке лопатки вентиляторного ротора и максимальным натяжением торцевой кромки в данном месте.
Описание вариантов осуществления
Во-первых, будут разъяснены два новых представления, полученных в процессе практического воплощения лопатки вентиляторного ротора, обладающей достаточной ударопрочностью.
Первое представление будет разъяснено со ссылками на фиг.4 и 5. Как показано на фиг.4, длина основной части обшивки (см. основную часть обшивки 53, получаемую из всей обшивки 51 посредством отделения соединительных фланцев 55 и 57, показанных на фиг.2) в направлении хорды в предполагаемом месте удара Р (самое наружное положение в радиальном направлении) на верхнем сегменте 51Т, контактирующем с препятствием (птицей, куском льда и т.п., засасываемым в корпус двигателя), определяется как длина обшивки k. Здесь, как показано графиком на фиг.5, энергия удара о препятствие может быть уменьшена, если длина обшивки k будет равна или более 10% хорды (=10% общей длины лопатки роторного вентилятора в направлении хорды), и эффект уменьшения энергии удара не усиливается, даже если ее сделать длиннее 60% хорды. Следует заметить, что предполагаемое место удара Р определяют конкретно для каждого случая, на основе размера предполагаемого препятствия, размера лопатки 23 вентиляторного ротора и т.д.
Второе представление будет разъяснено со ссылками на фиг.4 и 6. Как показано на фиг.4, длина обшивки 51 (см. полную обшивку 51, показанную на фиг.2) вдоль торцевой кромки лопатки 23 вентиляторного ротора определяется как длина обшивки m. Здесь, как показано на фиг.6, максимальное натяжение от волны напряжения, создаваемой на торцевой кромке лопатки 23 вентиляторного ротора соударением с препятствием, можно сделать равным или меньшим, чем максимальный допустимый критерий натяжения, если длину обшивки m сделать равной или больше 40% хорды. Следует заметить, что под термином «максимальный допустимый критерий натяжения» подразумевается максимальное натяжение на торцевой кромке лопатки вентиляторного ротора, которое принято за допустимое экспериментальным и эмпирическим путем.
Следует отметить, что отношение между положением относительно передней кромки и максимальным натяжением для каждой длины обшивки m рассчитывают путем анализа напряжения при ударе при условии, что препятствие весом 2,53 фунта (около 1 килограмма), втянутое в корпус 3 двигателя, ударяется о предполагаемое место удара Р.
Вариант осуществления лопатки 23 вентиляторного ротора (и вентилятора 1, в котором она используется) будет разъяснен со ссылками на фиг.1-3. Следует отметить, что на чертежах стрелка «FF» показывает направление вперед, а стрелка «FR» показывает направление назад.
Как показано на фиг.3, вентилятор 1 подает воздух в проточный канал 5 двигателя, выполненный внутри корпуса 3 авиационного двигателя. Корпус 3 двигателя состоит из цилиндрического внутреннего обтекателя 7, а вокруг внутреннего обтекателя 7 обеспечена гондола 11, при этом между ними расположены подкосы 9 (показан только один из них). Проточный канал 5 двигателя разветвляется в середине на кольцевой (цилиндрический) внутренний канал (основной канал) 13, образованный внутри внутреннего обтекателя 7, и обводной канал 15, образованный внутри гондолы 11 и снаружи обтекателя 7.
Перед внутренним обтекателем 7 с возможностью вращения обеспечен диск 17 вентилятора, при этом между ними расположен подшипник 19. Диск 17 вентилятора концентрично сцеплен как одно целое с множеством роторов турбины низкого давления (не показанных на чертеже), расположенных позади вентилятора 1. Кроме того, множество соединительных пазов 21 выполнено с одинаковыми угловыми расстояниями на наружной периферии диска 17 вентилятора.
Лопатка 23 вентиляторного ротора соединена с каждым из соединительных пазов 21 диска 17 вентилятора. Лопатка 23 вентиляторного ротора выполнена из композитного материала (волокнита), состоящего из термореактивного пластика и армированного волокна. Разделительные детали 25 расположены между дном соединительного паза 21 и лопаткой 23 вентиляторного ротора соответственно. Кольцевой передний держатель, удерживающий лопатку 2 3 вентиляторного ротора спереди, обеспечен впереди диска 17 вентилятора, а кольцевой задний держатель 29 для удерживания лопатки 23 вентиляторного ротора сзади обеспечен позади диска 17 вентилятора. Следует отметить, что передний держатель 27 сцеплен как одно целое с передним обтекателем 31, чтобы направлять воздух, а задний держатель 29 концентрично сцеплен как одно целое с ротором 35 компрессора 33 низкого давления, расположенного позади вентилятора 1.
Следовательно, когда диск 17 вентилятора вращается в ходе работы авиационного двигателя, лопатка (лопатки) 23 вентиляторного ротора вращается (вращаются) как одно целое с диском 17 вентилятора, подавая воздух в проточный канал 5 двигателя (внутренний канал 13 и обводной канал 15).
Конструкции лопатки 23 вентиляторного ротора будут описаны со ссылками на фиг.1 и 2. Лопатка (лопатки) 23 вентиляторного ротора используется (используются) в вентиляторе 1, как описано выше, и включает в себя перо 37 лопатки. Перо 37 лопатки изготовлено из композитного материала, состоящего из термореактивного пластика (эпоксидной смолы, фенольной смолы, полиимидной смолы и т.п.) и армированного волокна (углеродного волокна, арамидного волокна, стекловолокна и т.п.). Как показано на фиг.1, перо лопатки 37 имеет поверхность стороны всасывания (выпуклую поверхность) 39 с одной стороны и поверхность стороны нагнетания (вогнутую поверхность) 41 с другой стороны. Как показано на фиг.2, первый ступенчатый участок 43, продолжающийся в направлении размаха, выполнен вдоль передней кромки поверхности 39 стороны всасывания основной части пера 37 лопатки, а второй ступенчатый участок 45, продолжающийся в направлении размаха, выполнен вдоль передней кромки поверхности 41 стороны нагнетания основной части пера 37 лопатки.
Следует отметить, что перо 37 лопатки может быть изготовлено из композитного материала, состоящего из термопластичного пластика (полиэфирэфиркетона, полифениленсульфида и т.п.) и армированного волокна, вместо композитного материала, состоящего из термореактивного пластика и армированного волокна.
Хвостовик 47 лопатки выполнен как единое целое на базовом конце пера 37 лопатки. Перо 47 лопатки также изготовлено из композитного материала, состоящего из термореактивного пластика (эпоксидной смолы, фенольной смолы, полиимидной смолы и т.п.) и армированного волокна (углеродного волокна, арамидного волокна, стекловолокна и т.п.). Кроме того, хвостовик 47 лопатки включает в себя элемент 49 типа «ласточкин хвост», который соединяется с соединительным пазом 21, выполненным на наружной окружности диска 17 вентилятора.
Следует отметить, что хвостовик 47 лопатки может также состоять из композитного материала, состоящего из термопластичного пластика (полиэфирэфиркетона, полифениленсульфида и т.п.) и армированного волокна, вместо композитного материала, состоящего из термореактивного пластика и армированного волокна.
В данном случае граница между пером 37 лопатки и хвостовиком 47 лопатки совпадает с поверхностью 5f проточного канала 5 двигателя.
Обшивка 51 прикреплена вдоль передней кромки пера 37 лопатки. Обшивка 51 состоит из металла (титанового сплава и т.п.) и продолжается в направлении размаха. Обшивка 51 включает в себя основную часть 53 обшивки, расположенную спереди, и пару соединительных фланцев, первый 55 и второй 57, продолжающихся как одно целое от обеих задних кромок основной части 53 обшивки соответственно. Первый соединительный фланец 55 и второй соединительный фланец 57 покрывают, вместе с основной частью 53 обшивки, передний край основной части пера 37 лопатки (которая остается от пера лопатки 37, если от него отделить обшивку 51). Основная часть 53 обшивки постепенно становится тоньше по направлению вперед, и ее передняя кромка оказывается передней кромкой пера 37 лопатки. Первый соединительный фланец 55 продолжается как единое целое от задней кромки со стороны поверхности 39 всасывания основной части обшивки. Первый соединительный фланец 55 прикреплен на описанном выше первом ступенчатом участке 43 листовым клеящим материалом. Кроме того, второй соединительный фланец 57 продолжается как единое целое от задней кромки со стороны поверхности 41 стороны нагнетания основной части 53 обшивки. Второй соединительный фланец 57 прикреплен на вышеупомянутом втором ступенчатом участке 45 клеящим материалом листовой формы.
Далее будут описаны основные части (составляющие признаки по изобретению) лопатки 23 вентиляторного ротора. Обшивка 51 сегментирована, в продольном направлении (направлении размаха) лопатки 23 вентиляторного ротора, на базовый сегмент 51Н обшивки со стороны базового конца (стороны ступицы) пера 37 лопатки и верхний сегмент 51Т со стороны верхнего конца пера 37 лопатки. Кроме того, верхний сегмент 51Т обшивки и базовый сегмент 51Н обшивки плавно переходят друг в друга, и их граничная точка I расположена на расстоянии примерно от 50% до 80% размаха (=50-80% общей длины лопатки вентиляторного ротора в направлении размаха) от базового конца (конца со стороны ступицы) обшивки 51.
Длина k основной части 53 обшивки в описанном выше предполагаемом месте удара Р (на расстоянии 80% размаха от базового конца обшивки 51 в настоящем варианте осуществления) на обшивке 51 (верхнем сегменте обшивки 51Т) равна или более 10% хорды и равна или менее 60% хорды, предпочтительно равна или более 10% хорды и равна или менее 30% хорды. В данном случае длина обшивки k выбрана равной или более 10% хорды, основываясь на вышеописанном первом новом представлении. Кроме того, если длину обшивки k сделать больше 60% хорды, то вес обшивки 51 становится слишком большим.
Длина m обшивки 51 (верхнего сегмента 51Т обшивки) равна или больше чем 40% хорды, а предпочтительно равна или больше чем 40% хорды и равна или меньше чем 60% хорды. В данном случае длина обшивки m равна или более 40% хорды, основываясь на описанном выше новом представлении.
Согласно настоящему варианту осуществления описанная выше длина обшивки k равна или больше чем 10% хорды и равна или меньше чем 60% хорды, так что энергия соударения с препятствием, таким как птица или кусок льда, может быть уменьшена в достаточной степени. Кроме того, описанная выше длина обшивки m равна или больше чем 40% хорды, так что максимальное натяжение от волны напряжения, создаваемой на торцевой кромке лопатки 23 вентиляторного ротора ударом препятствия о лопатку 23 вентиляторного ротора, можно сделать равным или меньшим, чем максимальный допустимый критерий натяжения. Следовательно, может быть гарантирована достаточная ударопрочность лопатки 23 вентиляторного ротора, с одновременным ограничением увеличения веса и без обеспечения защитного элемента для укрепления пера 37 лопатки вдоль задней кромки пера 37 лопатки и так далее, а также без утолщения пера 37 лопатки.
Следовательно, конструкции лопатки 23 вентиляторного ротора могут быть упрощены, и лопатку 23 вентиляторного ротора можно сделать легкой, уменьшив количество компонентов лопатки 23 вентиляторного ротора без уменьшения аэродинамических характеристик лопатки 23 вентиляторного ротора.
Кроме того, длина обшивки 51 вдоль направления хорды постепенно увеличивается от базового сегмента 51Н к верхнему сегменту 51Т обшивки (снизу вверх на фиг.1). Так как базовый сегмент 51Н обшивки имеет малый вращательный радиус, его частота вращения становится медленнее, чем частота вращения верхнего сегмента 51Т. Следовательно, скорость соударения базового сегмента 51Н обшивки и препятствия становится меньше, чем скорость соударения верхнего сегмента 51Т обшивки и препятствия, так что не требуется делать большую длину обшивки в направлении хорды, и это способствует облегчению веса обшивки путем уменьшения ее длины. В данном случае длина обшивки 51 в направлении хорды постепенно увеличивается от базового сегмента 51Н к верхнему сегменту 51Т обшивки, так что можно обеспечить хороший баланс ударопрочности и облегченности лопатки 23 вентиляторного ротора.
Следует заметить, что настоящее изобретение не ограничено описанным выше вариантом осуществления и может быть воплощено с множеством изменений. Кроме того, объем права, включенный в настоящее изобретение, не ограничен описанным выше вариантом осуществления.