КОМПОЗИЦИОННАЯ ЛОПАТКА ДЛЯ КОМПРЕССОРА ОСЕВОЙ ТУРБОМАШИНЫ И ТУРБОМАШИНА
COMPOSITE BLADE FOR COMPRESSOR OF AXIAL TURBOMACHINE AND TURBOMACHINE

Область техники
[0001] Изобретение относится к области лопаток турбомашин для воздушных судов. В частности, изобретение относится к композиционным лопаткам, имеющим усилительную конструкцию. Изобретение также относится к осевой турбомашине, содержащей лопатку в соответствии с изобретением.
Уровень техники
[0002] Как компрессоры, так и турбинные двигатели осевой турбомашины содержат несколько кольцевых рядов лопаток. Последние обеспечивают возможность ускорения, замедления, выпрямления или даже отклонения кольцевого потока воздуха. Такие действия позволяют сжимать поток или восстанавливать из него движущую энергию. Лопатки должны быть легкими по весу, чтобы уменьшить массу турбомашины, в частности, в авиационной области. Уменьшение веса является равнозначным снижению инерции ротора.
[0003] Оптимизация веса лопатки, тем не менее, должна соответствовать критериям механической прочности и термостойкости. Лопатка должна препятствовать вибрациям и, возможно, попаданиям посторонних предметов в турбомашину. Кроме того, лопатки ротора подвергаются воздействию центробежных сил. Для того чтобы изготовить на заказ лопатки, которые отвечают требованиям, описанным выше, известно проектирование лопаток, оснащенных усилительными элементами.
[0004] В документе EP 1 450 006 A1 описывается компрессорная лопатка авиационного турбовентиляторного двигателя. Лопатка содержит основную часть и усилительный элемент для ее передней кромки. Основная часть изготовлена из композиционного материала, наполненного волокнами, тогда как усилительный элемент изготовлен из металла. Применяемый усилительный элемент частично закреплен на лопатке, что обеспечивает защиту лопатки от эрозии в области ее передней кромки. Тем не менее ударная прочность и общая жесткость такой лопатки остаются ограниченными. Присутствие обшивок на внешних поверхностях делает лопатку тяжелее.
Сущность изобретения
Техническая задача
[0005] Целью изобретения является решение по меньшей мере одной из задач, существующих в уровне техники. В частности, цель изобретения заключается в повышении жесткости лопатки турбомашины. Цель изобретения также заключается в оптимизации сопротивления, массы, стоимости и геометрии лопатки турбомашины.
Техническое решение
[0006] В целом, изобретение предлагает лопатку, содержащую усилительный слой или лист, имеющий два блока или части основной части с обеих сторон листа, при этом слой образует заднюю кромку и переднюю кромку лопатки посредством утолщения указанной последней кромки, блоки образуют внутреннюю поверхность и внешнюю поверхность лопатки.
[0007] Объектом изобретения является композиционная лопатка для турбомашины, в частности для компрессора осевой турбомашины, при этом лопатка содержит лопасть, выполненную проходящей в радиальном направлении в потоке турбомашины, при этом лопасть содержит переднюю кромку, заднюю кромку и основную часть, расположенную между передней кромкой и задней кромкой, и усилительный элемент, образующий переднюю кромку лопасти, характеризующаяся тем, что усилительный элемент передней кромки содержит усилительный лист, который проходит от передней кромки к задней кромке и который расположен в толщине основной части для прохождения сквозь нее.
[0008]  Согласно одному предпочтительному варианту осуществления изобретения лопасть содержит внутреннюю поверхность и внешнюю поверхность, которые проходят от передней кромки к задней кромке, при этом лист изгибается по большей части, предпочтительно по существу по всей внутренней поверхности и всей внешней поверхности, основная часть выполнена с возможностью по меньшей мере частичного образования внутренней поверхности и/или внешней поверхности лопасти.
[0009] Согласно одному предпочтительному варианту осуществления изобретения усилительный элемент содержит расположенную выше по потоку часть, в частности защитную оболочку, образующую переднюю кромку лопатки, при этом лист и указанная расположенная выше по потоку часть соединены, лист и указанная расположенная выше по потоку часть предпочтительно изготовлены из одинакового материала.
[0010] Согласно одному предпочтительному варианту осуществления изобретения расположенная выше по потоку часть образует слой материала с толщиной, которая по большей части постоянна, при этом лист выполнен с возможностью проходить дальше ниже по потоку, чем основная часть.
[0011] Согласно одному предпочтительному варианту осуществления изобретения лист содержит гранулированный материал, при этом усилительный элемент предпочтительно изготовлен посредством аддитивной технологии, в том числе основанной на применении порошков.
[0012] Согласно одному предпочтительному варианту осуществления изобретения лист является металлическим, в том числе содержащим титан, а основная часть изготовлена из полимерного материала, в том числе наполненного волокнами.
[0013] Согласно одному предпочтительному варианту осуществления изобретения усилительный элемент образует прослойку, расположенную по меньшей мере частично в основной части, при этом лист делит основную часть на две части, усилительный элемент содержит отверстия, образованные в листе, части основной части предпочтительно демонстрируют целостность материала сквозь отверстия.
[0014] Согласно одному предпочтительному варианту осуществления изобретения основная часть покрывает две стороны листа, предпочтительно большую часть поверхности каждой стороны листа.
[0015] Согласно одному предпочтительному варианту осуществления изобретения лист представляет собой лист, который делит основную часть, и лист проходит по всей радиальной высоте передней кромки и/или всей радиальной высоте задней кромки лопатки.
[0016] Согласно одному предпочтительному варианту осуществления изобретения основная часть обладает радиальной группой аэродинамических профилей, имеющих средние линии профиля, при этом по меньшей мере одна или каждая средняя линия профиля расположена в толщине листа, и/или по меньшей мере одна или каждая средняя линия профиля параллельна листу.
[0017] Согласно одному предпочтительному варианту осуществления изобретения лопатка содержит фиксирующую бандажную полку, ограничивающую усилительный элемент в радиальном направлении, при этом бандажная полка и усилительный элемент изготовлены из одинакового материала, бандажная полка выполнена с возможностью содержать пластину, имеющую кромку, для ограничения пространства во внутренней части бандажной полки.
[0018] Согласно одному предпочтительному варианту осуществления изобретения лопатка содержит крепежную лапку, выполненную с возможностью расположения в радиальном направлении на другой стороне фиксирующей бандажной полки, при этом крепежная лапка проходит относительно листа в радиальном направлении и содержит фиксирующее средство, такое как фиксирующее отверстие, предназначенное для взаимодействия с внутренним бандажом статора.
[0019] Согласно одному предпочтительному варианту осуществления изобретения бандажная полка содержит ребра жесткости в качестве дополнительной толщины материала на пластине бандажной полки, которые доходят до области листа, и/или трехмерную каркасную конструкцию, усиливающую бандажную полку, и/или сплошной блок, предназначенный для приваривания к опоре.
[0020] Согласно одному предпочтительному варианту осуществления изобретения бандажная полка содержит выступ листа, при этом пластина бандажной полки отделяет лист от выступа, выступ окружен кромкой пластины, бандажная полка выполнена с возможностью содержать замыкающий штифт, соединенный с выступом листа, или замыкающий штифт расположен на расстоянии в радиальном направлении от выступа листа.
[0021] Согласно одному предпочтительному варианту осуществления изобретения основная часть соответствует каждой поверхности сторон листа, в том числе на всех поверхностях сторон листа.
[0022] Согласно одному предпочтительному варианту осуществления изобретения лист демонстрирует по существу постоянную толщину в большинстве или в основном по всей своей толщине.
[0023] Согласно одному предпочтительному варианту осуществления изобретения лист образует заднюю кромку лопатки, в том числе по всей ее радиальной высоте.
[0024] Согласно одному предпочтительному варианту осуществления изобретения лист согнут, и/или скручен, и/или изогнут.
[0025] Согласно одному предпочтительному варианту осуществления изобретения толщина листа составляет менее половины средней толщины лопасти лопатки.
[0026] Согласно одному предпочтительному варианту осуществления изобретения толщина листа и/или толщина оболочки меньше или равна 1 мм, предпочтительно меньше или равна 0,50 мм и более предпочтительно меньше или равна 0,25 мм, если это возможно, меньше или равна 0,10 мм.
[0027] Согласно одному предпочтительному варианту осуществления изобретения части основной части образуют большинство внутренней поверхности и внешней поверхности.
[0028] Согласно одному предпочтительному варианту осуществления изобретения максимальная толщина расположенной выше по потоку части усилительного элемента больше или равна средней толщине основной части или одной из частей основной части.
[0029] Согласно одному предпочтительному варианту осуществления изобретения усилительный элемент и основная часть образуют блок сплошного материала.
[0030] Согласно одному предпочтительному варианту осуществления изобретения усилительный элемент, в частности его расположенная выше по потоку часть и/или оболочка, проходит от внутренней поверхности и от внешней поверхности лопатки.
[0031] Согласно одному предпочтительному варианту осуществления изобретения поверхность по меньшей мере одной или каждой стороны листа, как правило, гладкая.
[0032] Согласно одному предпочтительному варианту осуществления изобретения усилительный элемент и основная часть изготовлены из двух различных материалов, при этом материал основной части предпочтительно имеет плотность меньше, чем у материала усилительного элемента, и более предпочтительно по меньшей мере в два раза менее плотный.
[0033] Также объектом настоящего изобретения является турбомашина, содержащая по меньшей мере одну лопатку и характеризующаяся тем, что по меньшей мере одна лопатка выполнена согласно изобретению, при этом указанная лопатка предпочтительно представляет собой лопатку выпрямительного устройства для компрессора низкого давления.
Обеспечиваемые преимущества
[0034] Изобретение позволяет увеличить жесткость лопатки, благодаря присутствию усилительного листа. Его присутствие позволяет сформировать композиционную лопатку из двух разных материалов для обеспечения как жесткости, так и меньшего веса. Аэродинамические профили лопатки, таким образом, с меньшей вероятностью становятся выгнутыми или становятся сплющенными под действием протекающей текучей среды. Лист и основная часть могут быть изготовлены из двух различных материалов, чтобы ослабить вибрации.
[0035] Обработка передней кромки, конечно, ограничивает эрозию, но она также позволяет придать жесткость листу посредством формирования угла усиления, чтобы предотвратить сгибание в направлении внутренней или внешней поверхности. В свою очередь, лист предохраняет расположенную выше по потоку часть от деформации в направлении расположенной ниже по потоку части. Лист и расположенная выше по потоку часть, таким образом, взаимно усиливают друг друга. Их перпендикулярное соединение оптимизирует такое усиление. Усилительный элемент играет конструкционную роль в качестве внутреннего укрепляющего элемента.
[0036] В дополнение к уменьшению веса листа отверстия листа повышают сцепление основной части, так как она пересекает эти отверстия. Выравнивание отверстий обеспечивает сохранение жесткости листа посредством обеспечения зон усиления.
Краткое описание графических материалов
[0037] На фиг. 1 представлена осевая турбомашина в соответствии с изобретением.
[0038] На фиг. 2 представлено графическое изображение компрессора для турбомашины в соответствии с изобретением.
[0039] На фиг. 3 показана лопатка в соответствии с изобретением.
[0040] На фиг. 4 показана бандажная полка для лопатки в соответствии с изобретением.
[0041] На фиг. 5 схематически представлен разрез лопатки по оси 5-5 на фиг. 3 в соответствии с изобретением.
Описание способов осуществления
[0042] В приведенном ниже описании термины «внутренняя часть» или «внутренний» и «внешняя часть» или «внешний» относятся к положению относительно оси вращения осевой турбомашины. Осевое направление соответствует направлению вдоль оси вращения турбомашины.
[0043] На фиг. 1 представлена осевая турбомашина в упрощенном виде. Двигатель в данном конкретном случае представляет собой турбовентиляторный двигатель. Турбовентиляторный двигатель 2 содержит первую компрессорную ступень, так называемый компрессор 5 низкого давления, вторую компрессорную ступень, так называемый компрессор 6 высокого давления, камеру 8 сгорания и одну или несколько ступеней турбины 10. Во время работы механическая энергия турбины 10, передаваемая через центральный вал ротору 12, приводит два компрессора 4 и 6 в движение. Последние содержат несколько рядов лопаток ротора, связанных с рядами лопаток статора. Вращение ротора вокруг его оси 14 вращения, таким образом, обеспечивает возможность создания потока воздуха и постепенного сжатия последнего до его поступления на вход камеры 8 сгорания. Для повышения скорости вращения, передаваемого к компрессорам, может применяться зубчатый редукторный механизм.
[0044] Приточный вентилятор, упоминаемый как вентилятор или нагнетатель, 16 соединен с ротором 12 и создает поток воздуха, который делится на главный поток 18, проходящий через различные вышеупомянутые ступени турбомашины, и вспомогательный поток 20, проходящий через кольцевой канал (показанный частично) вдоль машины перед тем, как снова соединиться с главным потоком на выходе турбины. Вспомогательный поток может быть ускорен для создания реактивной тяги. Главный поток 18 и вспомогательный поток 20 являются кольцевыми потоками, и они каналированы через корпус турбомашины. Для этой цели корпус обладает цилиндрическими стенками или бандажами, которые могут быть внутренними и внешними.
[0045] На фиг. 2 представлен вид в поперечном разрезе компрессора такой осевой турбомашины, как осевая турбомашина, изображенная на фиг. 1. Компрессор может быть компрессором 4 низкого давления. Может наблюдаться разделяющая кромка 22 для основного потока 18 и вспомогательного потока 20. Ротор 12 содержит несколько рядов лопаток 24 ротора, в данном конкретном случае три.
[0046] Компрессор 4 содержит несколько выпрямительных устройств, в данном конкретном случае четыре, каждое из которых содержит ряд лопаток 26 статора. Выпрямительные устройства связаны с вентилятором или рядом лопаток ротора, чтобы выпрямлять поток воздуха с целью преобразования скорости потока в статическое давление.
[0047] Лопатки 26 статора проходят по существу в радиальном направлении от внешней части корпуса 28, и они могут быть зафиксированы в своем положении с помощью их фиксирующих бандажных полок 30, которые прижимаются к внешней стенке корпуса 28. Для этой цели фиксирующие бандажные полки 30 могут содержать замыкающий штифт 32 или блок материала, предназначенного для приваривания к корпусу 28 или к внешнему бандажу. Замыкающие штифты 32 могут быть соединены с помощью зажимного болта или гайки.
[0048] На фиг. 3 представлена такая лопатка в соответствии с изобретением, как лопатка компрессора, представленная на фиг. 2. Лопатка наблюдается сбоку в направлении вдоль окружности. Лопатка, которая представлена здесь, является лопаткой 26 статора, хотя она также может быть лопаткой ротора, например, приваренной к барабану. Лопатка может быть турбинной лопаткой.
[0049] Лопатка 26 содержит лопасть 34, выполненную проходящей в радиальном направлении в главном кольцевом потоке 18 турбомашины. Лопасть 34 содержит основную часть 36, имеющую переднюю кромку 38 и заднюю кромку 40, внутреннюю поверхность и внешнюю поверхность, при этом эти поверхности проходят от передней кромки 38 к задней кромке 40. Внутренняя поверхность является вогнутой для отклонения потока 18 с целью его ускорения или замедления.
[0050] Кроме того, лопасть 34 содержит усилительный элемент 42, расположенный по меньшей мере частично в основной части 36 таким образом, чтобы усиливать его. Для этой цели усилительный элемент 42 имеет лист 70, вставляемый в толщину основой части 36 при прохождении через нее из точки выше по потоку до точки ниже по потоку. Лист 70 проходит от передней кромки 38 к задней кромке 40 лопатки 26, например, для всей радиальной высоты лопасти 34 лопатки. Лист 70 может проходить перпендикулярно всей внутренней поверхности и всей внешней поверхности лопатки 26. Лист 70 может содержать отверстия 44, распределенные по его поверхности. Отверстия 44 пересекаются основной частью 36 с целью улучшения прочности сцепления между листом и основной частью.
[0051] Выше по потоку усилительный элемент 42 может содержать расположенную выше по потоку часть 46, образующую переднюю кромку 38. Расположенная выше по потоку часть 46 проходит вниз по потоку по листу 70. Лист 70 может образовывать заднюю кромку 40 лопатки и может проходить еще больше вниз по потоку, чем основная часть 36. Усилительный элемент 42 может быть изготовлен из одинакового материала.
[0052] Лопатка 26 может содержать фиксирующую бандажную полку 30, например, в виде пластины. Бандажная полка 30 ограничивает лопасть 34 в радиальном направлении и позволяет главному потоку 18 быть ограниченным в радиальном направлении. Бандажная полка 30 может быть продолжена одним или несколькими замыкающими штифтами 32.
[0053] Лопатка 26 может иметь крепежную лапку 48, возможно, имеющую фиксирующее средство 50. Лапка 48 может обеспечить крепление бандажа, например внутреннего бандажа, по существу, прикрепленного к статору турбомашины посредством связанного ряда лопаток 26. Лапка 48 может иметь отверстие 50, чтобы обеспечить вставку удерживающего средства, такого как прижимная планка, скоба.
[0054] Усилительный элемент 42 может быть изготовлен из гранулированного материала и предпочтительно представляет собой единое целое, например, изготовленное из одинакового материала. Усилительный элемент 42 может быть изготовлен посредством спекания или послойно в соответствии с процессом аддитивной технологии с целью повышения механической прочности, что вместе с тем предусматривает значительную свободу конструкции и однородности в отношении его материала. Усилительный элемент 42 может быть также изготовлен посредством сварки элементов или посредством отливки. Лопатка 26 может быть изготовлена посредством многослойного литья смолы на усилительный элемент 42, чтобы образовать основную часть в этой точке.
[0055] Усилительный элемент 42 может быть изготовлен из металлического порошка, такого как порошок титана, с целью обеспечения устойчивости к ударам. Оно также может быть изготовлено из керамики с целью повышения жесткости и устойчивости к температуре. Основная часть 36 может содержать полимерный материал, такой как композиционный материал, имеющий органическую матрицу, наполненную волокнами, и/или керамический материал, и/или металлический материал. Основная часть 36 может содержать PEI или PEEK.
[0056] На фиг. 4 представлена бандажная полка 30 лопатки 26, представленной на фиг. 3, при этом бандажная полка 30 представлена с внешней стороны. Лопасть представлена посредством ее внутренней поверхности 52 и ее внешней поверхности 54, которые обозначены пунктирной линией.
[0057] Бандажная полка содержит пластину с кромкой 56. Кромка 56 образует выступающую часть вокруг периферии пластины. Она окружает свободное пространство в бандажной полке 30, которое ограничено с одной стороны пластиной. Бандажная полка 30 может содержать радиальный выступ 58 листа и/или расположенной выше по потоку части в свободном пространстве, при этом пластина бандажной полки 30 вставлена между листом и выступом 58. Данный выступ 58 предусматривает припуск материала, усиливающего лопатку 26 в месте соединения между усилительным элементом и бандажной полкой 30.
[0058] Бандажная полка 30 может содержать упрочняющую конструкцию в своей полой зоне. Конструкция может содержать ребра 60 и/или трехмерный каркас 62. Такой каркас 62 может содержать стержни, ориентированные по меньшей мере в трех направлениях, чтобы сформировать трехмерную установочную метку. Ребра 60, как каркас 62, могут проходить от радиального выступа 58 в направлении кромки 56 бандажной полки 30, и они могут соприкасаться с замыкающим штифтом 32. Упрочняющая конструкция может проходить во все свободное пространство бандажной полки 30.
[0059] Некоторые ребра 60 могут проходить от передней кромки 38 и/или от задней кромки 40, чтобы соединять расположенную ниже по потоку кромку 56 и расположенную выше по потоку кромку 56 бандажной полки 30 с помощью радиального выступа 58.
[0060] На фиг. 5 схематически представлен разрез лопатки по оси 5-5 на фиг. 3. Разрез наблюдается с внешней стороны, при этом видна пластина 64 бандажной полки 30. Лопасть 34 лопатки 26 содержит радиальную группу аэродинамических профилей, и свойства, описанные в связи с настоящей фигурой, можно наблюдать на большинстве аэродинамических профилей лопатки 26 или по существу на всех аэродинамических профилях лопатки. Внутренняя поверхность 52 является вогнутой, а внешняя поверхность 54 является выпуклой. Средняя линия 66 профиля является изогнутой.
[0061] Термин «средняя линия 66 профиля» может быть использован для обозначения линии, образованной заданным профилем лопасти, проходящей через точки, которые расположены посредине между внешней поверхностью 54 и внутренней поверхностью 52 при измерении перпендикулярно этой же линии. Профиль лопатки 26 может быть представлен даже с помощью окружностей 68, которые вписаны в профиль лопатки и которые касаются внутренней поверхности 52 и внешней поверхности 54. Линия, которая проходит через все центры окружностей 68, может рассматриваться как средняя линия 66 профиля.
[0062] Расположенная выше по потоку часть 46 может проходить в направлении внутренней поверхности 52 и в направлении внешней поверхности 54 лопатки 26. Ее толщина может быть равна максимальной толщине лопасти. Расположенная выше по потоку часть 46 может быть частью поверхности, например покрытием, на передней кромке 38 лопасти. Расположенная выше по потоку часть 46 может быть оболочкой 46, которая образует защиту от эрозии и от попадания посторонних предметов. Расположенная выше по потоку часть 46 может покрывать основную часть 36, возможно, каждую из ее частей. Расположенная выше по потоку часть 46 может быть даже стержнем из материала, образующего утолщение, валик на расположенной выше по потоку кромке листа 70.
[0063] Расположенная выше по потоку часть 46 может образовывать угол или желоб, такой как половина трубы. Расположенная выше по потоку часть 46 может покрывать две стороны листа 70. Она ограничивает зону, в которой лист 70 прикреплен к верхней по потоку части 46 перпендикулярно передней кромке 38. Материал основной части 36 может быть размещен между листом 70 и лопастью расположенной выше по потоку части 46.
[0064] Лист 70 образует промежуточный слой между частями основной части 36. Он соприкасается с основной частью 36. Он может делить основную часть 36 на две практически равные части. Для большинства длин по меньшей мере одного профиля лопатки 26 лист 70 обладает зоной, где толщины частей основной части равны. Средняя линия 66 профиля может быть расположена в толщине листа 70, возможно, посередине. Является возможным, чтобы стороны листа 70 были параллельны средней линии 66 профиля. В некоторых случаях свойства, описанные выше, могут наблюдаться на большей части длины листа 70 или на всей его длине.
[0065] Лист 70 может иметь постоянную толщину, возможно, по всей его поверхности. Толщина листа может составлять от 0,05 мм до 2,00 мм, предпочтительно в диапазоне от 0,10 мм до 0,50 мм. Лист 70 может иметь постоянную толщину, где он покрыт основной частью 36. Его чистые поверхности вокруг отверстий могут быть по существу гладкими и/или плоскими. Возможно сформировать лист, который является деформированным и/или скрученным, и/или локально изогнутым. Его внутренняя и внешняя поверхности соответствуют частям основной части 36.