Изобретение относится к газотурбинным двигателям, а конкретнее используемым в них широкохордовых лопаток вентилятора. Лопатка (10) вентилятора содержит металлическую профильную часть (14), имеющую выемку (34), расположенную на ее первой стороне (16) и содержащую связанный с ней наполнитель (38). Выемка содержит множество ячеек (34b), разделенных соответствующими ребрами (36), которые утоплены в наполнитель. Изобретение обеспечивает создание улучшенной комбинированной лопатки вентилятора, имеющей пониженные концентрации напряжений и уменьшенную открытость границы раздела между грунтовкой и металлом. 2 н. и 18 з.п. ф-лы, 4 ил.
Настоящее изобретение, в общем, касается газотурбинных двигателей, а конкретнее используемых в них широкохордовых лопаток вентилятора.
Турбовентиляторный газотурбинный двигатель содержит ряд лопаток вентилятора, приводимых в движение турбиной низкого давления (ТНД). В двигатель воздух вначале поступает через вентилятор, и внутренняя часть воздуха проходит в компрессор, который сжимает воздух для его смешивания с топливом к камере сгорания, где смесь сгорает с образованием горячих газообразных продуктов сгорания, которые протекают дальше через турбину высокого давления (ТВД), отбирающую энергию для вращения компрессора. Затем газообразные продукты сгорания протекают через ТНД, которая отбирает от них дополнительную энергию для вращения вентилятора. Остальная наружная часть воздуха, протекающего через вентилятор, выпускается из двигателя для образования тяги, создающей движение самолета при полете.
Лопатка вентилятора на своем внутреннем по радиусу конце содержит часть типа "ласточкин хвост", которая захвачена в сопряженной выемке типа "ласточкин хвост" на периметре диска ротора. Профильная часть прикреплена к части типа "ласточкин хвост" посредством конструктивной хвостовой части. Опорные площадки могут быть объединены за одно целое с лопаткой или отдельно прикреплены между соседними лопатками для образования внутренней по радиусу границы пути потока воздуха в вентиляторе, при этом опорная площадка радиально расположена над хвостовой частью у внутреннего по радиусу основания профильной части.
Профильная часть проходит радиально наружу к противоположной вершине и имеет переднюю или входящую кромку и противоположную по направлению оси заднюю или выходящую кромку, образующие вместе периметр профильной части. Профильная часть имеет по существу вогнутую, нагнетающую первую сторону и противоположную по направлению окружности, по существу выпуклую, засасывающую вторую сторону. Профильная часть имеет размах или продольную ось, проходящую в радиальном направлении от центральной линии диска ротора, к которому она прикреплена, и различные хорды, проходящие по существу по направлению оси между передней и задней кромками. Профильная часть обычно скручена от ее хвостовой части к ее вершине для максимального увеличения аэродинамических характеристик.
Широкохордовая лопатка вентилятора имеет сравнительно небольшое отношение ее размаха к хорде и является сравнительно тяжелой, когда выполнена как цельнометаллическая деталь. Уменьшение веса обычно достигается использованием высокопрочных специальных сплавов, как, например, титансодержащих сплавов. Однако, по мере того, как двигатели становятся все больше в размере, увеличивается размер и вес соответствующих лопаток вентилятора и затрудняется достижение приемлемого срока службы лопаток при высоких центробежных нагрузках, возникающих во время работы вентилятора.
В отдельных разработках лопатки вентилятора целиком выполняли из композиционного материала для снижения веса лопаток при одновременном обеспечении приемлемых характеристик в условиях эксплуатации в газотурбинном двигателе. Обычная лопатка из композиционного материала содержит несколько слоев конструкционных волокон, как, например, графитовых волокон, заделанных в подходящую матрицу, как, например, эпоксидную смолу для обеспечения прочности при легкой конструкции. Лопатки из композиционного материала требуют применения сложного технологического процесса и дороги в изготовлении.
Кроме того, разработаны комбинированные лопатки, которые состоят, в основном, из металла, как, например, титана, а для снижения веса имеют в себе соответствующие выемки, заполненные подходящим эластомерным наполнителем для создания законченного необходимого аэродинамического профиля профильной части. Выемки ограничены соответствующими, выполненными за одно целое металлическими ребрами, которые обеспечивают расположение металла на всю толщину профильной части для максимального увеличения остаточной жесткости профильной части и ее изгибающего момента инерции.
Однако выемки, снижающие вес, неизбежно прерывают структурную целостность профильной части, при этом обнаженные кромки выемок создают структурные разрывы в поверхности профильной части, примыкающей к наполнителю. Поэтому во время работы вентилятора эти ребра подвергаются локальной концентрации напряжений.
Во время работы вентилятора его лопатки вращаются и подвергаются центробежным нагрузкам, которые несет металлическая часть профильных частей, включая и ее ребра, при этом наполнитель лишь создает мертвый вес, который, в свою очередь, несет металлическая часть профильной части. Профильная часть подвергается вибрационному изгибу и кручению, которые, в свою очередь, увеличивают нагрузки и возникающие в результате напряжения, которым подвергается профильная часть, включая и ее ребра. Кроме того, лопатка вентилятора подвергается повреждению посторонним предметом (ППП), например, из-за удара птицы. Удар птицы подвергает лопатку дополнительной ударной нагрузке, которая еще более увеличивает напряжения в металлической профильной части, включая и ее ребра.
Для того чтобы обеспечить прочную связь между наполнителем и нижележащим металлом можно наносить грунтовочное покрытие в выемках перед их заполнением наполнителем. Когда наполнитель отвержден и связан с металлической профильной частью, его наружная поверхность непосредственно открыта окружающему воздуху и является совместно простирающейся или расположенной заподлицо с остающимся металлическим краем профильной части для образования соответствующей, аэродинамически очерченной стороны профильной части.
Однако нижележащая грунтовка обнажена по границе раздела между наполнителем и металлическим краем и, следовательно, подвергается разрушению из-за влажных условий, действия химических растворителей и повреждения при транспортировке. В таком случае разрушение грунтовки может привести к отслоению грунтовки от металлической профильной части и к соответствующему уменьшению полезного срока службы лопатки вентилятора.
Техническим результатом настоящего изобретения является создание улучшенной комбинированной лопатки вентилятора, имеющей пониженные концентрации напряжений и уменьшенную открытость границы раздела между грунтовкой и металлом.
Этот результат достигается тем, что лопатка вентилятора газотурбинного двигателя содержит металлическую профильную часть, имеющую первую и вторую противоположные стороны, проходящие по радиусу между основанием и вершиной и по направлению оси между передней кромкой и задней кромкой для сжатия воздуха, проходящего над ними, выемку, расположенную на первой стороне, имеющую периметр, проходящий вдоль края первой стороны вокруг передней и задней кромок, основания и вершины, и содержащую множество ячеек, разделенных соответствующими ребрами, и наполнитель, связанный в выемке, при этом ребра утоплены в наполнителе, и наполнитель образует открытую часть первой стороны профильной части, проходящей совместно с краем.
Ребра могут быть выполнены выпуклыми в сечении.
Ребра могут иметь скошенные стороны, плавно сопряженные с ячейками.
Ребра могут быть утоплены в наполнитель в пределах 0,5-2,5 мм.
Выемка может содержать фаску по ее периметру, плавно сопряженную с краем первой стороны профильной части. Фаска может быть скошена от указанного края внутрь в выемку. Фаска может быть скошена к утопленным ребрам и вдоль примыкающих к ней ячеек. Фаска может проходить по периметру выемки и краю первой стороны профильной части. Фаска может иметь другой уклон, чем ячейки.
Ребра могут быть выполнены выпуклыми в сечении, и выемка содержит фаску по ее периметру, плавно сопряженную с краем первой стороны профильной части. Ребра могут иметь скошенные стороны, плавно сопряженные с ячейками, и фаска скошена от указанного края внутрь в выемку. Уклон ребра может быть другим, чем уклон фаски. Уклон ребра может быть больше, чем уклон фаски. Уклон фаски может быть меньше, чем уклон ячеек.
Уклон ребра может быть равен приблизительно 60 градусам или меньше, уклон фаски является небольшим и равен приблизительно 20 градусам или меньше, и ребра утоплены в наполнитель в пределах около 0,5-2,5 мм.
Указанный технический результат достигается и тем, что лопатка вентилятора газотурбинного двигателя содержит металлическую профильную часть, имеющую первую и вторую противоположные стороны, проходящие по радиусу между основанием и вершиной и по направлению оси между передней кромкой и задней кромкой для сжатия воздуха, проходящего над ними, выемку, расположенную на первой стороне, имеющую периметр, проходящий вдоль края первой стороны вокруг передней и задней кромок, основания и вершины, и содержащую множество ячеек, разделенных соответствующими ребрами, выпуклыми в сечении, и фаску, выполненную по ее периметру, плавно сопряженную с краем первой стороны и скошенную от этого края внутрь в выемку, и наполнитель, связанный в выемке, при этом ребра утоплены в наполнитель.
Ребра по существу могут быть одинаково утоплены в наполнитель.
Наполнитель может быть расположен заподлицо с краем первой стороны профильной части и образует с ним сплошную поверхность, открытую к воздуху, проходящему над ней.
Наполнителем может быть эластомер, связанный с грунтовкой, покрывающей ячейки, ребра и фаску выемки.
Лопатка может дополнительно содержать хвостовую часть, объединенную за одно целое с основанием профильной части, часть типа "ласточкин хвост", объединенную за одно целое с хвостовой частью для установки лопатки на диске ротора.
В дальнейшем подробном описании изобретение конкретнее описывается на предпочтительных и примерных вариантах его воплощения наряду с указанием его других задач и преимуществ и со ссылкой на сопровождающие чертежи, на которых изображено следующее:
фиг.1 - вертикальный вид комбинированной лопатки вентилятора для газотурбинного двигателя, содержащей многоячеистую выемку, согласно примерному варианту воплощения настоящего изобретения,
фиг.2 - вид в радиальном направлении профильной части, показанной на фиг.1, в разрезе по линии 2-2 в средней части ее профильной части;
фиг.3 - увеличенный вид в радиальном направлении и в разрезе утопленного ребра профильной части, показанного на фиг.2 в пределах пунктирной окружности 3;
фиг.4 - увеличенный вид в радиальном направлении и в разрезе выемки, примыкающей к краю вблизи входящей кромки и показанной в пределах пунктирной окружности 4 на фиг.2, согласно примерному варианту воплощения настоящего изобретения.
На фиг.1 показана одна из нескольких лопаток 10 ротора вентилятора для турбовентиляторного газотурбинного двигателя, установленных по периметру частично показанного диска 12 ротора. Согласно настоящему изобретению лопатка выполнена в виде комбинированной лопатки, содержащей металлическую профильную часть 14, имеющую первую или нагнетающую сторону 16, которая является по существу вогнутой, и противоположную по направлению окружности вторую или засасывающую сторону 18, которая является по существу выпуклой. Первая и вторая стороны или поверхности 16, 18 радиально проходят вдоль размаха профильной части между внутренним по радиусу основанием 20 и противоположной, наружной по радиусу вершиной 22.
Кроме того, первая и вторая стороны проходят по направлению оси вдоль хорд профильной части между передней или входящей кромкой 24 и противоположной по направлению оси задней или выходящей кромкой 26. При работе вентилятора окружающий воздух 28 течет над двумя сторонами профильной части от передней кромки к задней кромке и обычным образом сжимается профильной частью для образования тяги, создающей движение самолета при полете.
Хотя профильная часть 14 может быть выполнена за одно целое с диском 12 ротора или непосредственно установлена на нем с образованием цельного узла, в варианте воплощения изобретения, показанном на фиг.1, каждая из профильных частей обычным образом прикреплена к диску с возможностью съема с него. Например, лопатка снабжена также металлической хвостовой частью 30, соединенной за одно целое с основанием 20 профильной части для установки лопатки на диске 12 ротора. Это осуществляется посредством использования обычной металлической части типа "ласточкин хвост" 32, соединенной за одно целое с хвостовой частью для установки лопатки в сопряженную выемку типа "ласточкин хвост" 12а в диске ротора. Профильная часть 14, хвостовая часть 30 и часть типа "ласточкин хвост" 32 с самого начала могут быть образованы как цельная или единая металлическая деталь, например, ковкой. Подходящим материалом для лопатки вентилятора является, например, титан.
Часть типа "ласточкин хвост" 32 обычно выполнена с возможностью вставления по направлению оси и захватывается сопряженной выемкой типа "ласточкин хвост" 12а, расположенной по направлению оси на периметре диска ротора. Хвостовая часть 30 обеспечивает структурный переход от части типа "ласточкин хвост" к аэродинамической профильной части и обычно сама не является аэродинамическим элементом. Хвостовая часть обычно укрыта от потока воздуха соответствующей связывающей опорной площадкой (не показана), которая расположена у основания 20 профильной части и выполнена либо за одно целое с ним, либо как отдельно установленные площадки обычным образом между соседними лопатками.
Согласно настоящему изобретению профильная часть 14 содержит углубление или выемку 34, предпочтительно расположенную только на первой или нагнетающей стороне 16 и имеющей полный четырехсторонний периметр 34а, проходящий вдоль края 16а первой стороны профильной части около входящей и выходящей кромок 24, 26, основания 20 и вершины 22.
Выемка 34 содержит множество отделений или ячеек 34b, отделенных друг от друга соответствующими металлическими ребрами 36. В примерном варианте воплощения изобретения, показанном на фиг.1, многочисленные ребра 36, расположенные по направлению хорд и радиуса, пересекают друг друга, ограничивая пять примерных ячеек 34b выемки.
Вся выемка, включая и ее ячейки, содержит эластомерный наполнитель 38, подходящим образом связанный с ними, при этом ребра 36 заглублены или утоплены в наполнитель ниже его открытой поверхности.
Основная профильная часть 14, показанная на фиг.1, выполнена из металла для обеспечения структурной целостности и возможности выдерживать аэродинамические, центробежные и вибрационные нагрузки во время работы вентилятора, когда его лопатка вращается, сжимая воздух 28 для образования тяги, создающей движение. Выемка, включая и ее ячейки, выполнены в профильной части для снижения ее общего веса и уменьшения центробежных нагрузок во время работы вентилятора. Наполнитель 38 является сравнительно легким и может быть любого подходящего вида, как, например, эластомером или полиуретаном, для заполнения выемки и образования сплошной поверхности на первой стороне профильной части, которая открыта потоку воздуха 28 для его сжатия.
На фиг.2 показан примерный вид в радиальном направлении разреза через часть профильной части, показанной на фиг.1, при этом металлическая профильная часть и лопатка выполнены непрерывными от передней кромки 24 до задней кромки 26, а также непрерывными от части типа "ласточкин хвост" 32 до вершины 22 профильной части, показанных на фиг.1. Как показано на фиг.2, передняя и задняя кромки 24, 26 выполнены сравнительно тонкими и острыми для максимального увеличения аэродинамической эффективности и являются полностью металлическими между засасывающей стороной 18 и крайней (граничной) частью 16а нагнетающей стороны 16 для обеспечения прочности и структурной целостности несмотря на введение выемки 34, включая ее несколько ячеек.
Ячейки 34b по их периметрам ограничены соответствующими ребрами 36 и соответствующими частями края 16а первой стороны. Общий профиль профильной части 14, показанный на фиг.2, определяет между ее противоположными сторонами подходящий аэродинамический профиль, специально очерченный для максимального увеличения эффективности сжатия окружающего воздуха во время работы вентилятора. Металлическая профильная часть у отдельных ячеек 34b выполнена сравнительно тонкой для уменьшения до минимума веса профильной части при сохранении непрерывного структурного пути нагружения по всей профильной части и ее структурной целостности.
Наполнитель 38 вводят в ячейки для замены объема металла, потерянного из-за введения самих ячеек, чтобы восстановить профильную часть до необходимого аэродинамического профиля, включая наполнитель 38 на первой стороне 16. Таким образом, первая сторона 16 профильной части образуется частично краем 16а, непосредственно открытым к наружному воздуху, и в остальной части - открытой наружной поверхностью наполнителя 38. Укрытая часть первой стороны профильной части под наполнителем 38 определяет несколько ячеек 34b и ребра 36, расположенные между ними.
На фиг.3 подробнее показан пример одного из утопленных ребер 36 и вышележащего наполнителя 38, открытого к окружающему воздуху. Как указывалось выше, в качестве наполнителя 38 может быть использован любой подходящий материал, предпочтительно эластомер, для восприятия упругой деформации во время работы вентилятора, когда металлическая профильная часть подвергается нагрузке. Эластомерный наполнитель 38, как, например, полиуретан, предпочтительно связывают с грунтовкой 40, которую первой наносят на выемку, включая ее ячейки 34b, ребра 36 и фаску 34с. Подходящей грунтовкой является грунтовка "Ти-Плай БН", доступная от "Лорд корпорейшн", Эри, шт.Пенсильвания, США.
Как показано на фиг.4, наполнитель 38 предпочтительно расположен заподлицо или вровень с краем 16а профильной части и вместе с ним образует непрерывную аэродинамическую поверхность, открытую к воздуху, который проходит над ней. Таким образом, наполнитель 38 соединен с металлическим краем 16а по всему периметру 34а выемки, при этом к окружающему воздуху непосредственно открыта только кромка нижележащего грунтовочного покрытия.
Особое преимущество настоящего изобретения заключается в том, что несколько ребер 36, показанных на фиг.1-3, утоплены в наполнитель 38 и, таким образом, не создают дополнительные места, где грунтовка открыта к поверхности профильной части. Следовательно, открытость поверхности грунтовки ограничивается периметром 34а выемки, показанной на фиг.1, при этом несколько ребер 36 утоплены в наполнитель. Таким образом, ограничены по протяженности кромки по периметру самого наполнителя, что соответственно ограничивает имеющиеся места наполнителя, подверженные разрушению на протяжении срока службы лопатки.
Однако утапливание ребер 36 под наполнитель и под определяемый им аэродинамический профиль соответственно уменьшает изгибающий момент инерции металлической профильной части и ее соответствующую прочность.
В предпочтительном варианте воплощения изобретения ребра 36 утоплены в наполнитель в ограниченной степени предпочтительно в пределах около 0,5-2,5 мм для сохранения сравнительно тонкого слоя или связки наполнителя 38 непосредственно над ними, как это показано на фиг.3. Таким образом, сплошная поверхность наполнителя 38 открыта к окружающему воздуху и образует основную часть открытой первой стороны профильной части, которая проходит совместно с краем 16а, показанным на фиг.1.
Однако, т.к. сами ребра 36 являются частями металлической профильной части, выполненными за одно целое с ней, то они обеспечивают структурную целостность самой профильной части и при работе вентилятора несут значительные нагрузки. Ребра, использовавшиеся в более ранних разработках комбинированной лопатки, для сохранения прочности были обнажены на поверхности профильной части и, таким образом, открывали бы к внешней среде дополнительную грунтовку. Эти прежние ребра имели параллельные стороны и соответствующие острые углы, которые создавали значительные концентрации напряжений и увеличивали местные напряжения во время работы вентилятора.
Для того чтобы уменьшить концентрацию напряжений, несколько ребер 36 имеют каждое изогнутое поперечное сечение или профиль, как это подробно показано на фиг.3. Ребро 36 выполнено по существу выпуклым или закругленным наружу и без острых углов.
Каждое ребро 36 является по существу симметричным в поперечном сечении и содержит противоположные стороны, которые являются скошенными или наклоненными под соответствующими углами уклона сторон А, измеряемыми относительно горизонтальной или по существу плоской поверхности наполнителя 38. Стороны ребра плавно скошены от закругленной вершины ребра к сравнительно плоским донышкам примыкающих ячеек 34b, образуя плавный переход к ним.
Профиль каждого ребра 36 выполнен скошенным и плавно сопряженным в нескольких целях. Прежде всего, ребра используются для разделения отдельных ячеек 34b при сохранении структурной целостности металлической профильной части. Если угол уклона А боковых стенок ребра будет слишком малым, то объем примыкающих ячеек будет соответственно небольшим, а уменьшение веса будет ограниченным. Если угол уклона А будет слишком крутым или большим, то увеличатся соответствующие напряжения на границе раздела между ребрами и наполнителем. Кроме того чтобы уменьшить до минимума напряжения на границе раздела и вес профильной части, углы уклона боковых стенок по желанию могут быть равными или неравными.
Кроме того, ребра 36 утоплены под открытую поверхность наполнителя 38 для сохранения непрерывности наполнителя как аэродинамической поверхности, а это утапливание ребра соответственно уменьшает изгибающий момент инерции сечения профильной части и может увеличить напряжения в ней.
Таким образом, вовремя работы вентилятора вершины ребер подвергаются большим напряжениям, которые согласно одному отличительному признаку настоящего изобретения уменьшаются благодаря скруглению вершин соответствующими галтелями или радиусами для устранения острых углов.
Как указывалось выше, ребра 36 утапливают ниже открытой поверхности наполнителя на величину в сравнительно узких пределах около 0,5-2,5 мм, чтобы максимально увеличить прочность профильной части при сохранении подходящей прочности и непрерывности связки из наполнителя поверх ребер.
После того, как в наполнитель 38 утоплено несколько ребер 36, показанных на фиг.1, единственная выемка 34 открыта на поверхности профильной части и имеет непрерывный окружающий периметр 34а. Отдельные ячейки 34b выемки утоплены и не видны, когда они заполнены наполнителем.
Как указывалось выше, на фиг.1 и 2 показан типичный профиль профильной части лопатки вентилятора, который является сравнительно тонким от входящей кромки до выходящей кромки. Передняя и задняя кромки 24, 26 сами являются тонкими и острыми и выполнены только из основного металла для обеспечения их прочности. Металлический край 16а профильной части простирается внутрь от передней и задней кромок для обеспечения прочности кромок профильной части до перехода в примыкающие ячейки 34b выемки.
Как показано на фиг.1, несколько ребер 36 ориентировано так, как желательно, для обеспечения структурной целостности профильной части, чтобы выдерживать обычные радиальные, осевые и крутильные нагрузки, испытываемые во время работы вентилятора. Кроме того, нагрузки, испытываемые лопаткой во время работы вентилятора, могут быть вызваны повреждением посторонними предметами (ППП), как, например, вследствие удара птицы, обычно о входящую кромку 24 профильной части.
Чтобы еще более увеличить структурную целостность профильной части, имеющей в себе выемку для уменьшения веса, выемка 34, как первоначально показано на фиг.1, предпочтительно содержит утопленную фаску 34с, которая непрерывно проходит по периметру 34а выемки для плавного сопряжения выемки с металлическим краем 16а.
На фиг.4 подробнее показан вид в разрезе фаски 34с в предпочтительном варианте воплощения изобретения. Фаска 34с под углом В скошена от поверхности края 16а профильной части внутрь в выемку. Таким образом, фаска определяет четко выраженный уклон или скос от кромки выемки, очерченной периметром 34а, и обеспечивает плавный переход между краем 16а профильной части и соответствующими ячейками 34b выемки, в которых металлическая профильная часть уменьшается по толщине.
Таким образом, уменьшаются или устраняются сравнительно острые углы и резкие изменения в непрерывности металла для соответственного уменьшения концентрации напряжений в месте соединения наполнителя и металлического края 16а. Различные нагрузки, возникающие при работе лопатки вентилятора, включая и нагрузки от ударов птиц, таким образом, эффективнее выдерживаются металлической профильной частью между передней и задней кромками и от основания до вершины без явно выраженных концентраций напряжений по периметру выемки, по периметрам ее ячеек 34b или вдоль отдельных утопленных ребер 36.
Как показано на фиг.1, фаска 34с скошена внутрь от периметра 34а выемки вдоль нескольких ячеек 34b выемки, а также вдоль утопленных ребер 36, пересекающих периметр выемки.
Таким образом, выполнена непрерывная отчетливая фаска 34с по периметру 34а выемки и по металлическому краю 16а для обеспечения плавного перехода от металлического края к соответствующим выемкам и ребрам.
Как показано на фиг.4, фаска 34с имеет угол уклона В, который предпочтительно отличается от угла уклона С примыкающих ячеек 34b выемки в местах пересечения с ними. Угол уклона В фаски предпочтительно меньше, чем угол уклона С ячейки, для образования отчетливой, по существу плоской фаски по всему периметру выемки и примыкающего металлического края.
Таким образом, отчетливая фаска обеспечивает плавное сопряжение ячеек и ребер у металлического края для уменьшения концентрации напряжений. Отчетливую фаску легко выверять на станках с ЧПУ для ее точного изготовления.
Как показано на фиг.3 и 4, угол уклона А ребра также предпочтительно отличается от угла уклона В фаски, при этом уклон ребра предпочтительно больше, чем уклон фаски. Уклоны ребра и фаски имеют разное назначение и соответственно различаются по величине. Пологий уклон В фаски предпочитается для улучшения структурной целостности металлической профильной части и непрерывности структурных путей нагружения между передней и задней кромками, основанием и вершиной профильной части. Предпочитаются более высокие значения уклона ребер для максимального увеличения объема примыкающих ячеек 30в выемки с целью уменьшения веса, однако без образования недопустимо больших концентраций напряжений у самих ребер.
Как показано на фиг.1, все ребра 36 предпочтительно по существу одинаково утоплены в наполнитель 38 для обеспечения одинаково толстых связок из наполнителя над ребрами, показанных на фиг.3. Утопленные ребра плавно сопрягаются с металлическим краем 16а у фаски 34с выемки, как это показано на фиг.4.
Угол уклона В фаски предпочтительно небольшой и равен около 20 градусов или менее, предпочтительно, например, около 15 градусов. Угол уклона С ячейки у фаски выемки несколько больше, чем угол уклона В фаски, приблизительно на 2-7 градусов в предпочтительном варианте воплощения изобретения.
Соответственно угол уклона А ребра, показанный на фиг.3, предпочтительно равен около 60 градусов или меньше - около 20 градусов в предпочтительном варианте воплощения изобретения.
Утопленные и скошенные ребра обеспечивают существенное улучшение структурной целостности вышеописанной комбинированной лопатки вентилятора, позволяя значительно уменьшить вес при сохранении прочности профильной части. Концентрации напряжений у ребер значительно уменьшаются вследствие их изогнутых профилей, а скошенная поверхность сопряжения между выемкой и примыкающим металлическим краем вокруг нее еще более уменьшает концентрации напряжений и улучшает структурную целостность профильной части. Наполнитель, введенный в многоячеистую выемку, имеет сплошную поверхность, которая открыта к окружающему воздуху, образует основную часть первой стороны профильной части и расположена совместно и заподлицо с окружающим металлическим краем 16а, образующим остальную часть аэродинамической поверхности. Грунтовка под наполнителем обнажена только по периметру 34а выемки и значительно уменьшает число мест, в которых возможно разрушение кромок наполнителя.
Хотя здесь описаны предпочтительные и примерные варианты воплощения настоящего изобретения, для специалистов в данной области на основании изложенных здесь технических решений будут очевидны другие модификации изобретения, находящиеся в пределах существа и объема формулы изобретения.
1. Лопатка вентилятора газотурбинного двигателя, содержащая металлическую профильную часть, имеющую первую и вторую противоположные стороны, проходящие по радиусу между основанием и вершиной и по направлению оси между передней кромкой и задней кромкой для сжатия воздуха, проходящего над ними, выемку, расположенную на первой стороне, имеющую периметр, проходящий вдоль края первой стороны вокруг передней и задней кромок, основания и вершины, и содержащую множество ячеек, разделенных соответствующими ребрами, и наполнитель, связанный в выемке, при этом ребра утоплены в наполнителе, и наполнитель образует открытую часть первой стороны профильной части, проходящей совместно с краем.
2. Лопатка по п.1, в которой ребра выполнены выпуклыми в сечении.
3. Лопатка по п.2, в которой ребра имеют скошенные стороны, плавно сопряженные с ячейками.
4. Лопатка по п.3, в которой ребра утоплены в наполнитель в пределах 0,5-2,5 мм.
5. Лопатка по п.1, в которой выемка содержит фаску по ее периметру, плавно сопряженную с краем первой стороны профильной части.
6. Лопатка по п.5, в которой фаска скошена от указанного края внутрь в выемку.
7. Лопатка по п.6, в которой фаска скошена к утопленным ребрам и вдоль примыкающих к ней ячеек.
8. Лопатка по п.7, в которой фаска проходит по периметру выемки и краю первой стороны профильной части.
9. Лопатка по п.7, в которой фаска имеет другой уклон, чем ячейки.
10. Лопатка по п.1, в которой ребра выполнены выпуклыми в сечении, и выемка содержит фаску по ее периметру, плавно сопряженную с краем первой стороны профильной части.
11. Лопатка по п.10, в которой ребра имеют скошенные стороны, плавно сопряженные с ячейками, и фаска скошена от указанного края внутрь в выемку.
12. Лопатка по п.11, в которой уклон ребра является другим, чем уклон фаски.
13. Лопатка по п.12, в которой уклон ребра больше, чем уклон фаски.
14. Лопатка по п.13, в которой уклон фаски меньше, чем уклон ячеек.
15. Лопатка по п.11, в которой уклон ребра равен приблизительно 60° или меньше, уклон фаски является небольшим и равен приблизительно 20° или меньше, и ребра утоплены в наполнитель в пределах около 0,5-2,5 мм.
16. Лопатка вентилятора газотурбинного двигателя, содержащая металлическую профильную часть, имеющую первую и вторую противоположные стороны, проходящие по радиусу между основанием и вершиной и по направлению оси между передней кромкой и задней кромкой для сжатия воздуха, проходящего над ними, выемку, расположенную на первой стороне, имеющую периметр, проходящий вдоль края первой стороны вокруг передней и задней кромок, основания и вершины, и содержащую множество ячеек, разделенных соответствующими ребрами, выпуклыми в сечении, и фаску, выполненную по ее периметру, плавно сопряженную с краем первой стороны и скошенную от этого края внутрь в выемку, и наполнитель, связанный в выемке, при этом ребра утоплены в наполнитель.
17. Лопатка по п.16, в которой ребра по существу одинаково утоплены в наполнитель.
18. Лопатка по п.17, в которой наполнитель расположен заподлицо с краем первой стороны профильной части и образует с ним сплошную поверхность, открытую к воздуху, проходящему над ней.
19. Лопатка по п.18, в которой наполнителем является эластомер, связанный с грунтовкой, покрывающей ячейки, ребра и фаску выемки.
20. Лопатка по п.19, дополнительно содержащая хвостовую часть, объединенную за одно целое с основанием профильной части, часть типа "ласточкин хвост", объединенную за одно целое с хвостовой частью для установки лопатки на диске ротора.
www.findpatent.ru
Этим летом самый большой в мире реактивный двигатель GE9X, предназначенный для коммерческих лайнеров Boeing 777X, доставили в Пиблс (шт. Огайо, США) — на тестовую площадку для силовых установок производства GE Aviation. Испытания идут уже несколько месяцев. Двигатель, например, подвергли обледенению длительностью 160 ч. Инженеры GE Aviation собирают показания с датчиков, установленных примерно в 50 контрольных точках. Всю эту информацию используют в ходе проектирования и производства.
Впрочем, отдельные компоненты двигателя испытывают куда дольше, пишет MRO Network. Работы с ними начались еще шесть лет назад. Испытаниям подверглись в том числе композитные лопатки вентилятора четвертого поколения, кожух вентилятора, топливные форсунки, изготовленные на 3D-принтере, и специальные легковесные материалы, больше известные как композиты с керамической матрицей.
Как отмечают в GE, совместное использование этих компонентов позволит облегчить двигатель, повысить его эффективность и снизить расход топлива. Судя по всему, авиакомпании с такой точкой зрения согласны: портфель заказов на GE9X состоит примерно из 700 двигателей.
История создания двигателей GE9X наглядно демонстрирует, как современные силовые установки увеличиваются в размерах — а вместе с ними растут и лопатки вентилятора. Засасывая воздух в двигатель, каждая из них испытывает нагрузку, равную весу девяти двухэтажных автобусов. Воздуха, который единственная лопатка перекачивает за секунду, хватит, чтобы заполнить помещение для игры в сквош.
С ходом времени лопатки вентилятора превратились из плоских пластин в трехмерные изогнутые формы. Трансформация стала результатом применения вычислительной гидродинамики (CFD), которая помогла смоделировать потоки воздуха, проходящие через вентилятор, и вычислить эффективность нагнетания воздуха. Пытаясь повысить эффективность, разработчики сократили число лопаток, улучшив их аэродинамику. В новых двигателях их меньше, чем в прежних моделях.
Вы прочитали 22% текста.Это материал из журнала "Авиатранспортное обозрение". Полный текст материала доступен только по платной подписке.
Полгода
(скидка 1782 р.)3564 р.1782 р.
Год
(скидка 4158 р.)7128 р.2970 р.
Приобретение бумажных и pdf-версий изданий ИД "А.Б.Е.Медиа", включая "Авиатранспортное обозрение" и Ежегодник АТО:
Я подписчик / Я активировал промокод. Если у вас есть неактивированный промокод, авторизуйтесь/зарегистрируйтесь на сайте и введите его в своем Личном кабинете на вкладке Подписка
www.ato.ru
Описание
Изобретение относится к области газотурбинного двигателестроения и может быть использовано в первых ступенях осевых вентиляторов и компрессоров. Техническим результатом, на достижение которого направлено изобретение, является изменение характера колебаний рабочих лопаток, которое приводит к снижению уровня динамических напряжений в них и увеличению аэродинамического демпфирования без ухудшения аэродинамических и акустических характеристик рабочего колеса. Технический результат достигается в рабочей лопатке вентилятора или компрессора газотурбинного двигателя, перо которой имеет входную кромку с углом наклона ее образующей к радиальной оси, изменяющимся по высоте лопатки от ее втулочного сечения до периферийного, входная кромка разделена на три области: привтулочную, среднюю и периферийную, при этом в средней области образующая наклонена по потоку, а в части привтулочной области, прилегающей к средней, - против потока, причем в остальной части привтулочной области образующая входной кромки наклонена по потоку. 7 з.п. ф-лы, 1 ил.
Изобретение относится к области газотурбинного двигателестроения и может быть использовано в первых ступенях осевых вентиляторов и компрессоров.
Известна рабочая лопатка вентилятора или компрессора газотурбинного двигателя (патент US6071077, МПКF04D29/34, опубл. 2000.06.06), перо которой имеет входную кромку с углом наклона образующей к радиальной оси, изменяющимся по высоте лопатки от ее втулочного сечения до периферийного. Входная кромка разделена на три области: привтулочную, среднюю и периферийную. В привтулочной и периферийной областях образующая входной кромки наклонена против потока, а в средней области - по потоку. Использование лопаток, имеющих описанную форму входной кромки, способствует снижению волновых потерь при торможении сверхзвукового потока, а также увеличению сопротивляемости к попаданию посторонних предметов.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является лопатка вентилятора или компрессора, описанная в патенте US2004/0170502A1,MПKF03B3/12, опубл. 2004.02.09. Такая лопатка имеет входную кромку пера с углом наклона ее образующей к радиальной оси, изменяющимся по высоте лопатки от ее втулочного сечения до периферийного. Входная кромка разделена на три области: привтулочную, среднюю и периферийную, при этом в привтулочной области образующая входной кромки наклонена против потока, а в средней и периферийной областях - по потоку. Благодаря такой форме входных кромок совместно с высоким расположением границы между средней и привтулочной областью (от 40% до 75% радиальной высоты входной кромки пера лопатки между ее втулочным сечением и периферией) улучшается распределение скоростей в межлопаточных каналах, в результате чего увеличивается производительность и снижаются потери при торможении натекающего потока в периферийной области рабочего колеса на высоких частотах вращения, снижается уровень шума.
Недостатком обоих технических решений является то, что при такой форме входной кромки рабочая лопатка имеет неблагоприятный характер колебаний и пониженную степень аэродинамического демпфирования. Это влечет за собой снижение запасов устойчивости к флаттеру и возникновение областей лопатки с высоким уровнем динамических напряжений от возбуждающих гармоник, которые обусловлены неравномерностью потока воздуха на входе, особенно в условиях бокового ветра. Такие лопатки используются в рабочих колесах первых ступеней современных вентиляторов и компрессоров, к которым предъявляются высокие требования по газодинамическому и акустическому совершенству. Для снижения уровня генерируемого шума в этих лопаточных машинах максимально уменьшают величину окружной скорости вращения рабочих лопаток, при этом должна обеспечиваться высокая (потребная) степень повышения полного давления, что приводит к увеличению аэродинамической нагруженности его лопаток, то есть увеличивается их изгиб. Это, в свою очередь, способствует увеличению доли кручения при колебаниях (связанных изгибно-крутильных), что является фактором, снижающим запасы устойчивости к флаттеру. Кроме того, такие лопатки в целях снижения аэродинамических потерь выполняются без бандажных полок, что также негативно сказывается на запасах устойчивости к флаттеру. С увеличением аэродинамической нагруженности рабочего колеса усугубляются нестационарные процессы, возрастают пульсации давления, что создает трудности с обеспечением прочности лопаток.
Техническим результатом, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, является изменение характера колебаний рабочих лопаток, которое приводит к снижению уровня динамических напряжений в них и увеличению аэродинамического демпфирования без ухудшения аэродинамических и акустических характеристик рабочего колеса. Это способствует улучшению прочностных характеристик и обеспечению потребных запасов устойчивости к флаттеру лопаток высокоэффективного рабочего колеса осевого вентилятора или компрессора газотурбинного двигателя.
Технический результат достигается тем, что у рабочей лопатки вентилятора или компрессора газотурбинного двигателя перо имеет входную кромку с углом наклона ее образующей к радиальной оси, изменяющимся по высоте лопатки от ее втулочного сечения до периферийного. Входная кромка разделена на три области: привтулочную, среднюю и периферийную. В средней области образующая наклонена по потоку, а в части привтулочной области, прилегающей к средней, - против потока.
Новым в изобретении является то, что в остальной части привтулочной области образующая входной кромки наклонена по потоку.
В периферийной области лопатки образующая входной кромки может быть наклонена по потоку или против потока под углом из диапазона 0-50°.
В оптимальном варианте выполнения лопатки граница между привтулочной и средней областью должна быть расположена на высоте, составляющей 0,4-0,75 от общей высоты входной кромки пера лопатки между ее втулочным сечением и периферией, а часть привтулочной области с образующей, наклоненной по потоку, - составлять 0,1-0,8 от общей высоты привтулочной области, при этом углы наклона образующей входной кромки по потоку и против потока в привтулочной области и в средней области лежат в диапазоне 0-20°.
На прилагаемом чертеже изображена предлагаемая рабочая лопатка вентилятора или компрессора.
Рабочая лопатка вентилятора или компрессора газотурбинного двигателя
(рисунок 4.7) содержит перо 1, имеющее входную кромку с углом наклона ее образующей 2 к радиальной оси 3 лопатки, изменяющимся вдоль этой оси. Входная кромка разделена на три области: периферийную 4, среднюю 5 и привтулочную, состоящую из части 6, прилегающей к средней области 5, и остальной части 7, прилегающей к втулочному сечению 8.
В части 6 привтулочной области образующая 2 наклонена против потока под углом к радиальной оси 3, а в части 7 привтулочной области - по потоку под углом к радиальной оси 3. В средней области 5 образующая 2 входной кромки наклонена по потоку под углом к радиальной оси 3, и углы , лежат в диапазоне 0-20°. В периферийной области 4 образующая 2 входной кромки может быть наклонена как по потоку, так и против потока под углом из диапазона 0-50°.
Граница между частью 6 привтулочной области и средней областью 5 расположена на высоте, составляющей 0,4-0,75 от общей высоты входной кромки 2 пера лопатки 1 между ее втулочным сечением 8 и периферией 9, а часть 7 привтулочной области с образующей, наклоненной по потоку, - составляет 0,1-0,8 от общей высоты привтулочной области.
При работе осевого вентилятора или компрессора ГТД под воздействием вынужденных колебаний или флаттера вибронапряжения в рабочих лопатках 1 могут достигать критической величины, что приводит к их разрушению. Использование в предлагаемом изобретении входной кромки 2 саблевидной рабочей лопатки 1 с наклоном ее образующей к радиальной оси 3 в привтулочной области 7, от втулочного сечения лопатки 8 направленным по потоку, приводит к такому изменению характера колебаний лопатки 1, что снижается крутильная составляющая связанных изгибно-крутильных колебаний лопатки 1 и увеличивается ее аэродинамическое демпфирование. За счет этого увеличиваются запасы к флаттеру лопаток 1 рабочего колеса. Кроме того, возбуждение лопаток 1 происходит на более низких режимах и при меньших значениях возбуждающей силы, что приводит к снижению динамических напряжений, то есть улучшению прочностных характеристик рабочей лопатки 1. При этом благодаря тому, что форма входной кромки изменяется только в части привтулочной области 7 лопатки 1, благоприятное распределение скоростей в межлопаточных каналах рабочего колеса сохраняется и, таким образом, аэродинамические и акустические характеристики рабочего колеса не ухудшаются.
Описанная форма входной кромки получена в процессе проектирования рабочих лопаток вентиляторов газотурбинных двигателей при ее прочностной оптимизации, а достижение технического результата подтверждено многочисленными расчетными данными и результатами испытаний.
Формула изобретения
1. Рабочая лопатка вентилятора или компрессора газотурбинного двигателя, перо которой имеет входную кромку с углом наклона ее образующей к радиальной оси, изменяющимся по высоте лопатки от ее втулочного сечения до периферийного, входная кромка разделена на три области: привтулочную, среднюю и периферийную, при этом в средней области образующая наклонена по потоку, а в части привтулочной области, прилегающей к средней, - против потока, отличающаяся тем, что в остальной части привтулочной области образующая входной кромки наклонена по потоку.
2. Рабочая лопатка вентилятора или компрессора газотурбинного двигателя по п.1, отличающаяся тем, что в периферийной области образующая входной кромки наклонена по потоку или против потока под углом 0-50°.
3. Рабочая лопатка вентилятора или компрессора газотурбинного двигателя по п.1 или 2, отличающаяся тем, что граница между привтулочной и средней областью расположена на высоте, составляющей 0,4-0,75 от общей высоты лопатки, а часть привтулочной области с образующей, наклоненной против потока, составляет 0,1-0,8 от общей высоты привтулочной области.
4. Рабочая лопатка вентилятора или компрессора газотурбинного двигателя по п.1 или 2, отличающаяся тем, что углы наклона образующей входной кромки по потоку и против потока в привтулочной области лежат в диапазоне 0-20°.
5. Рабочая лопатка вентилятора или компрессора газотурбинного двигателя по п.3, отличающаяся тем, что угол наклона по потоку и против потока образующей входной кромки в привтулочной области лежит в диапазоне 0-20°.
6. Рабочая лопатка вентилятора или компрессора газотурбинного двигателя по п.1, или 2, или 5, отличающаяся тем, что угол наклона образующей входной кромки в средней области лежит в диапазоне 0-20°.
7. Рабочая лопатка вентилятора или компрессора газотурбинного двигателя по п.3, отличающаяся тем, что угол наклона образующей входной кромки в средней области лежит в диапазоне 0-20°.
8. Рабочая лопатка вентилятора или компрессора газотурбинного двигателя по п.4, отличающаяся тем, что угол наклона образующей входной кромки в средней области лежит в диапазоне 0-20°.
Рисунок 4.7 – Рабочая лопатка вентилятора или компрессора ГТД
studfiles.net
Лопатка вентилятора газотурбинного двигателя состоит из основания, металлической оболочки, образующей корытце, спинку и входную кромку, и несущих силовых элементов, установленных в полости внутри металлической оболочки и демпфирующего материала в виде панелей с сотовыми ячейками. Она содержит концевую заглушку, между основанием и концевой заглушкой установлены промежуточные гофрированные перегородки. Трубка может быть выполнена эллипсной в поперечном сечении. Сотовые ячейки могут быть заполнены алюмосиликатными полыми микросферами. Около входной кромки в полости лопатки может быть установлена металлическая трубка, разделенная перегородками на секции, которые заполнены алюмосиликатными полыми микросферами. Трубка может быть выполнена эллипсной в поперечном сечении. В промежуточных перегородках могут быть выполнены отверстия для прохождения металлической трубки, в которые установлены демпферы. Технический результат: упрощение конструкции, повышение ударной и вибрационной прочности. 4 з.п. ф-лы, 13 ил.
Изобретение относится к области машиностроения, а именно к лопаткам вентилятора ГТД (газотурбинного двигателя) с демпфером для гашения вибраций.
Повышение надежности путем предупреждения усталостных повреждений рабочих лопаток является актуальной задачей современного авиадвигателестроения. Возникновение этих повреждений 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 за счет конструкционного демпфирования в замковом соединении, и в контакте бандажных или антивибрационных полок для ступеней с этими полками.
Известна композитная лопатка вентилятора по патенту РФ на изобретение №2334750, МПК F04D 29/38, опубл. 20.03.2010 г.
. Эта композитная лопатка преимущественно для вентиляторов авиационных двигателей, состоит из комля и лопасти, содержащей сердечник, формирующий внутреннюю пространственную геометрию лопатки, внешние и внутренние слои композиционного армированного материала, наложенные на сердечник соответственно с обеих его выпуклой и вогнутой сторон, и формирующие внешнюю геометрию лопатки, сердечник выполнен из двух частей - комлевой части из легкого и жесткого материала, например пенопласта, и лопастной части из прочного жесткого материала, например минералокомпозита, при этом комлевая и лопастные части связаны между собой клеевым соединением.
Недостатки: низкая прочность.
Известна лопатка вентилятора по патенту РФ на изобретение №2269034, МПК F04D 29/38, опубл. 27.01.2006 г.
Лопатка вентилятора содержит металлическую профильную часть, имеющую выемку, расположенную на ее первой стороне и содержащую связанный с ней наполнитель. Выемка содержит множество ячеек, разделенных соответствующими ребрами, которые утоплены в наполнитель.
Недостаток: плохое противодействие лопаток центробежным нагрузкам.
Известна пустотелая широкохордная лопатки вентилятора ГТД по патенту РФ 2296246, МПК FQ4D 29/38.
Предложена конструкции длинной легкой пустотелой широкохордной лопатки вентилятора авиационного ГТД пятого поколения с высокой прочностью и статической жесткостью, сохраняющимися или нарастающими в процессе технологического цикла, с высокоэффективным демпфирующим устройством, способным не только снизить динамические напряжения в лопатке при ударе и вибрации до безопасного уровня на всех рабочих режимах авиадвигателя, но и повысить ресурс и надежность вентилятора ГТД.
Известна пустотелая широкохордная лопатка вентилятора ГТД по патенту РФ №2626523, МПК F01L 5/26, опубл. 28.07.2017 г.
Эта пустотелая широкохордная лопатка вентилятора ГТД состоит из оболочки, выполненной из металлического листа (из титанового сплава), и жестко скрепленных с ней силовых несущих элементов: лонжерона, выполненного из титанового сплава, и остальных, выполненных из волокнистого однонаправленного металломатричного высокомодульного композиционного материала.
Недостатки: сложность конструкции и относительно низкие прочность, противодействие ударным нагрузкам и вибропрочность.
Известна рабочая лопатка вентилятора двухконтурного турбореактивного двигателя по патенту РФ №1147097, МПК, опубл. 10.12.2005 г., прототип.
Эта лопатка содержит полое перо и расположенный в его полости сотовый наполнитель, отличающаяся тем, что, с целью повышения надежности работы путем улучшения демпфирующих свойств, в ячейках сотового наполнителя размещены грузики. Грузики имеют форму шара, цилиндра или форму ячейки. Грузики выполнены из материалов с различными модулями упругости.
Лопатка хорошо демпфирует вибронагрузки, но не работоспособна при больших частотах вращения, т.к. не выдерживает большие центробежные нагрузки вследствие большого веса и малого поперечного сечения оболочки и сильные фронтовые удары посторонних предметов.
Задачи создания изобретения: обеспечение прочности при ударных нагрузках и вибрационной прочности.
Технический результат: увеличение прочности при ударных нагрузках и вибрационной прочности.
Решение указанных задач достигнуто в лопатке вентилятора газотурбинного двигателя, состоящей из основания, металлической оболочки, образующей корытце, спинку и входную кромку и несущих силовых элементов, установленных в полости внутри металлической оболочки и демпфирующий материал, тем, что она содержит концевую заглушку, с которой жестко соединены несущие силовые элементы, между основанием и концевой заглушкой установлены промежуточные перегородки, через отверстия в которых проходят несущие силовые элементы, а демпфирующий материал размещен в полости между промежуточными перегородками и концевой заглушкой и промежуточной перегородкой и выполнен в виде сот, заполненных полыми алюмбсиликатными микросферами, несущий силовой элемент расположенный ближе к входной кромке выполнен в виде металлической трубки, заполненной алюмосиликатными полыми микросферами.
Металлическая трубка может быть выполнена эллипсной в поперечном сечении.
В отверстиях промежуточных перегородок могут быть установлены демпферы.
Несущие силовые элементы могут быть смонтированы с предварительным натягом. Несущие силовые элементы могут быть выполнены прямоугольного поперечного сечения. Несущие силовые элементы могут быть выполнены круглого поперечного сечения. Изменение процентного состава титана и алюминия может быть выполнено дискретно. Изменение процентного состава титана и алюминия может быть выполнено непрерывно. Несущие силовые элементы могут быть выполнены прямоугольного поперечного сечения. Несущие силовые элементы могут быть выполнены круглого поперечного сечения. Несущие силовые элементы могут быть выполнены четырехугольного поперечного сечения, при этом две стенки повторяют внутренний профиль участков оболочки, контактирующих с ними. Полости между силовыми несущими элементами могут быть заполнены демпфирующим материалом.
Сущность изобретения поясняется на фиг. 1-13, где:
- на фиг. 1 приведен общий вид лопатки,
- на фиг. 2 приведен разрез А - А на фиг. 1,
- на фиг. 3 приведен разрез В-В на фиг. 1,.
- на фиг. 4 приведен вид С, первый вариант,
- на фиг. 5 приведен вид С, второй вариант,
- на фиг. 6 приведен вид D, первый вариант,
- на фиг. 7 приведен вид D, второй вариант,
- на фиг. 8 приведен силовой каркас с несущими силовыми элементами,
- на фиг. 9 приведен демпфирующий наполнитель,
- на фиг. 10 приведена ячейка сот с алюмосиликатными полыми микросферами,
- на фиг. 11 приведен разрез С-С на фиг. 8,
- на фиг. 12 приведен фрагмент гофрированной перегородки с металлической трубкой
- на фиг. 13 приведен разрез D-D на фиг. 12.
Лопатка вентилятора (фиг. 1 и 2) состоит из металлической оболочки 1, образующей корытце 2, спинку 3 и входную кромку 4, и металлической трубки 5, установленной на основании 6 (замок) в полости 7 внутри металлической оболочки 1 непосредственно около входной кромки 4.
Трубка 5 может быть выполнена круглого или овального поперечного сечения.
В полости 7 (фиг. 2) установлены гофрированные промежуточные перегородки 8, в которых выполнены отверстия 9, через которые проходит металлическая трубка 5. Отверстия 9 могут быть выполнены круглыми или овальными. Между промежуточными перегородками 8 и металлической трубкой 5 установлены демпферы 10. Демпферы 10 можно изготовить из металлорезины.
В верхней части лопатки выполнена концевая заглушка 11, например, приварена к металлической оболочке 1 (не показано).
Металлическая трубка 5 установлена около передней кромки 4 параллельно ей и разделена перегородками 12 на отсеки 13. В отсеки 13 засыпаны алюмосиликатные полые микросферы 14.
Металлическая трубка 5 жестко соединена с концевой заглушкой 11 сваркой или высокотемпературной пайкой (фиг. 1…5).
Алюмосиликатные полые микросферы (АСПМ) - стеклокристаллические алюмосиликатные шарики, которые образуются при высокотемпературном факельном сжигании угля. Являются самыми ценными компонентами зольных отходов тепловых электростанций. Представляют собой полые, почти идеальной формы силикатные шарики с гладкой поверхностью, диаметром от 10 до нескольких сотен микрометров, в среднем около 100 мкм. Стенки сплошные непористые с толщиной от 2 до 10 мкм, температура плавления 1400-1500°С, плотность 580-690 кг/м3. Внутренняя полость частиц заполнена в основном азотом и диоксидом углерода.
Металлическая трубка 5 может быть соединена с концевой заглушкой 11 сварочным швом 15 (фиг. 5), если - клеем 16 (фиг. 4).
Гофрированные промежуточные перегородки 8 могут быть установлены в полости 7 без зазора между их кромками 17 и металлической оболочкой 1 (фиг. 5) или приварены сварочным швом 18.
В варианте (фиг. 5) центрирование и прижатие промежуточных перегородок 8 к металлической оболочке 1 осуществляется центробежной силой Fцб.
Между промежуточными перегородками 8 размещен демпфирующий материал 19 в виде сот 20, заполненных алюмосиликитными полыми микросферами 14 (фиг. 8 и 9).
Основание 6 (фиг. 1) выполнено цельнометаллическим и имеет контактный торец 21 для контакта с диском (не показано), внутренние поверхности 22 (относительно газодинамического тракта) и боковые торцы 23.
Металлическая оболочка 1 имеет переходный участок 24 для соединения его с основанием 6. Соединение может быть выполнено, например, сварочным швом 25.
Варианты гофрированной металлической перегородки 8 показаны на (фиг. 5, 7 и 9).
Полость 7 между несущими силовыми несущими элементами 5 и промежуточными перегородками 8, как сказано ранее, заполнена демпфирующим материалом 19 в виде сот 20, заполненных алюмосиликитными полыми микросферами 14, что также способствует противодействию ударных нагрузок.
РАБОТА ЛОПАТКИ ВЕНТИЛЯТОРА
При работе лопатки вентилятора в составе ГТД на нее действуют центробежные силы, изгибающие нагрузки и вибрации, которые воспринимают демпфирующий материал 19 и демпфера 10, они воспринимают вибрационные нагрузки и частично удары сбоку.
Выполнение демпфирующего материала 19 из сот 20 и наполнение сот 20 алюмосиликатными пустотелыми микросферами 14 значительно повысит жесткость лопатки, ее прочность, устойчивость к виброперегрузкам, и температуростойкость, незначительно увеличив их вес.
Лопатки имеют относительно небольшой вес, так как в них применены легкие металлы: титан и алюминий, они выполнены пустотелыми, а полость 7 внутри металлической оболочки 1 заполнена очень легким демпфирующим материалом 19 в виде сот 20, заполненных алюмосиликатными пустотелыми микросферами 14, которые имеют очень низкий удельный вес.
Также выполнение металлической трубки 5, разделенной перегородками 12 на секции 13, заполненные алюмосиликатными пустотелыми микросферами 14 значительно повысит противодействие лопаток фронтальным ударом посторонних предметов, например птиц в полете.
При ударе, например, попадании посторонних предметов в тракт газотурбинного двигателя, металлическая оболочка 1 не сдеформируется или сдеформируется незначительно, разрушится незначительное количество пустотелых алюмосиликатных микросфер 14 в секциях 13 в металлической трубке 13 и/или в сотах 20. Разрушенные алюмосиликатные полые микросферы 14 (стеклянная пыль) останется в пределах нескольких ячеек сотов 20 (фиг. 10), или в одной - двух секциях 13, где они были засыпаны. Металлическая трубка 5 расположенная непосредственно около входной кромки 4, воспринимает основной фронтальный удар и вследствие того, что она противостоит мощному ударе без отрицательных последствий: деформации металлической оболочки, изгиба лопатки, повреждения оболочки 1 или возникновения дисбаланса ротора вентилятора вследствие изменения формы лопатки и смещения ее центра тяжести.
В результате даже сильный удар не нарушит балансировку ротора с предложенными лопатками. Гофрированные промежуточные перегородки 8 тоже не позволят перемещаться разрушенным алюмосиликатным пустотелым микросферам 14 в пределах полости 7 под действием гравитационных и центробежных сил.
Применение изобретения позволило:
- противодействовать сильному удару посторонних предметов при работе ГТД, в котором эти лопатки установлены,
- повысить вибрационную прочность лопаток вентилятора за счет схемы установки несущих силовых элементов,
- повысить вибрационную прочность за счет заполнения объема между несущих силовых элементов предложенным легким и очень эффективным демпфирующим материалом.
- повысить прочность при действии центробежных сил за счет применения концевой заглушки, с которой жестко связаны силовые несущие элементы и монтажа силовых несущих элементов с предварительным натягом,
- сместить диапазон частот колебаний в область более высоких частот за счет применения концевой заглушки, с которой жестко связаны силовые несущие элементы, монтажа силовых несущих элементов с предварительным натягом и относительно плотного заполнения полости лопатки пустотелыми алюмосиликатными микросферами.
- длительно время сохранить балансировку ротора ГТД, в котором установлены предложенные лопатки.
1. Лопатка вентилятора газотурбинного двигателя, состоящая из основания, металлической оболочки, образующей корытце, спинку и входную кромку, и установленных в полости внутри металлической оболочки и демпфирующего материала в виде панелей с сотовыми ячейками, отличающаяся тем, что она содержит концевую заглушку, между основанием и концевой заглушкой установлены промежуточные гофрированные перегородки.
2. Лопатка вентилятора газотурбинного двигателя по п. 1, отличающаяся тем, что сотовые ячейки заполнены алюмосиликатными полыми микросферами.
3. Лопатка вентилятора газотурбинного двигателя по п. 1, отличающаяся тем, что около входной кромки в полости лопатки установлена металлическая трубка, разделенная перегородками на секции, которые заполнены алюмосиликатными полыми микросферами.
4. Лопатка вентилятора газотурбинного двигателя по п. 3, отличающаяся тем, что трубка выполнена эллипсной в поперечном сечении.
5. Лопатка вентилятора газотурбинного двигателя по п. 3, отличающаяся тем, что в промежуточных перегородках выполнены отверстия для прохождения металлической трубки, в которые установлены демпферы.
www.findpatent.ru
Каталог
Производители
В радиальных (центробежных) вентиляторах используются крыльчатки двух видов: с вперед загнутыми лопатками и с назад загнутыми лопатками.
У колес с назад загнутыми лопатками разница между статическим и полным давлением невелика, и они имеют достаточно большие КПД. Сохраняется низкий уровень шума при достижении 80% эффективности, однако количество подаваемого такими лопатками воздуха сильно зависит от давления. Не рекомендуется для загрязненного воздуха. Отклонённые назад прямые лопатки: вентиляторы с такой формой лопаток хорошо подходят для загрязненного воздуха, возможно достижение 70% эффективности.
Вентиляторы с вперед загнутыми лопатками имеют очень большие скорости закручивания потока на выходе. Аэродинамический КПД таких вентиляторов несколько меньше, однако они позволяют получить требуемые параметры в рабочей точке при меньших габаритах или меньшей частоте вращения, что в ряде случаев бывает определяющим. Однако из-за большой скорости потока на выходе из вентилятора динамическое давление является большей величиной, чем в случае вентиляторов с назад загнутыми лопатками. 
Загнутые вперед лопатки: вентилятор сохраняет 60% эффективности, однако при этом повышенное давление воздуха незначительно сказывается на его производительности. Данная конструкция позволяет укладываться в более меньшие габаритные размеры, что благоприятно сказывается на массе вентилятора и возможности его размещения.
Необходимо также учитывать, что потребляемая мощность растет с увеличением производительности, но из-за конструктивных особенностей максимальный КПД находится в районе максимума полного давления или же примерно на трети максимальной производительности вентилятора. Шум вентилятора с вперед загнутыми лопатками несколько меньше, чем у вентилятора с назад загнутыми лопатками.
Рабочее колесо вентилятора - это основной, максимально нагруженный узел вентилятора. Именно рабочее колесо осуществляет передачу энергии от привода (электродвигателя) вентилятора, перемещаемому воздуху. Его величина определяет не только габариты, но и основные параметры машины, ее производительность и давление. Диаметр рабочего колеса всегда указывается в обозначении вентилятора.
Производители вентиляторов для систем приточной и вытяжной вентиляции обычно изготавливают вентиляторы как с вперед, так и назад загнутыми лопатками крыльчатки рабочего колеса. Наиболее известные и распространенные: европейского производства вентиляторы Ostberg, вентиляторы Systemair, Ruck, украинские вентиляторы ВЕНТС/VENTS, российские вентиляторы Shuft, вентиляторы Тепломаш и другие вентиляторы систем вентиляции на выбор.
Выбрать вентилятор с вперед или назад загнутыми лопатками крыльчатки и купить по лучшей цене в Санкт-Петербурге: (812) 702-76-82.
www.inklimat.ru
Изобретение относится к области газотурбинного двигателестроения. В рабочей лопатке вентилятора выходы (10) и (11) боковых участков (12) и (13) внутреннего элемента (9) выполнены на спинке (6) пера (2) лопатки в направлениях входной (3) и выходной (4) кромок пера. Со стороны входной кромки (3) на спинке (6) пера кромка (14) выхода (10) бокового участка (12) внутреннего элемента (9) расположена от входной кромки (3) пера лопатки на расстоянии L1 не менее 5В, где В - ширина стенки (7) корыта (5) пера лопатки. Длина L2 хвостовика (1) в месте соединения (17) с диском (18) вдоль оси (19) меньше на 15% длины L3 проточной поверхности (20) хвостовика. Путем переноса выходов боковых участков внутреннего элемента на спинку пера лопатки повышается надежность лопатки и уменьшается ее масса за счет уменьшения длины хвостовика. 3 ил.
Изобретение относится к области газотурбинного двигателестроения, а более конкретно к конструкции рабочей лопатки вентилятора газотурбинного двигателя летательного аппарата.
Известна конструкция рабочей лопатки вентилятора с широким хвостовиком на уровне корневого сечения пера лопатки (патент RU №2354854).
Недостатком известной конструкции лопатки является большая длина хвостовика, что увеличивает массу лопатки и рабочего колеса в целом.
Известна стреловидная лопатка вентилятора, в которой хвостовик со стороны входной кромки лопатки выходит вдоль оси вращения за границу выходной кромки в периферийном сечении лопатки (патент №US №6071077).
Недостатком известной конструкции является широкий хвостовик, что увеличивает массу лопатки.
Наиболее близкой к заявляемой конструкции является рабочая лопатка вентилятора со сварным швом между корытом и спинкой на входной и выходной кромках лопатки (патент RU №2382911).
Недостатком известной конструкции является наличие сварных швов на входной и выходной кромках лопатки, что может привести к повреждению лопатки при попадании посторонних предметов.
Техническая задача, решаемая изобретением, заключается в повышении надежности лопатки путем исключения сварных швов на входной и выходной кромках лопатки, а также в снижении массы лопатки за счет уменьшения длины хвостовика.
Сущность технического решения заключается в том, что в рабочей лопатке вентилятора, содержащей хвостовик и перо с входной и выходной кромками, состоящее из корыта, спинки и расположенного между ними внутреннего элемента, СОГЛАСНО ИЗОБРЕТЕНИЮ выходы боковых участков внутреннего элемента выполнены на спинке пера лопатки в направлениях входной и выходной кромок пера, причем кромка выхода бокового участка внутреннего элемента со стороны входной кромки на спинке пера лопатки расположена от входной кромки пера на расстоянии L1 не менее 5В, где В - ширина стенки корыта пера лопатки, при этом длина L2 хвостовика в месте соединения с диском выполнена на 15% меньше длины L3 проточной поверхности хвостовика.
Выполнение на спинке пера лопатки в направлениях входной и выходной кромок выходов боковых участков внутреннего элемента обеспечивает образование монолитных участков входной и выходной кромок лопатки без сварных швов на кромках, что повышает надежность лопатки.
Расположение кромки выхода бокового участка внутреннего элемента со стороны входной кромки на спинке пера на расстоянии L1 не менее 5В (В - ширина стенки корыта пера лопатки) обеспечивает прочность лопатки.
При L1 меньше 5В пластические деформации входной кромки пера лопатки от попадания постороннего предмета на вход в двигатель могут привести к раскрытию стыка стенок и внутреннего элемента.
Выполнение длины L2 хвостовика в месте соединения с диском на 15% меньше длины L3 проточной поверхности хвостовика уменьшает массу лопатки и рабочего колеса в целом.
На фиг.1 - изображен общий вид лопатки.
На фиг.2 - разрез А-А на фиг.1.
На фиг.3 - элемент I на фиг.2 в увеличенном виде (входная кромка лопатки и наружные стенки с боковым участком внутреннего элемента).
Рабочая лопатка вентилятора состоит из хвостовика 1 и пера 2. Перо 2 имеет входную кромку 3, выходную кромку 4, корыто 5 и спинку 6. Корыто 5 образовано стенкой 7. Спинка 6 образована стенкой 8, частично стенкой 7 в зонах входной 3 и выходной 4 кромок пера 2 и внутренним элементом 9 выходами 10 и 11 боковых участков 12 и 13 указанного элемента.
Выходы 10 и 11 направлены соответственно к входной 3 и выходной 4 кромкам пера 2.
Кромка 14 выхода 10 бокового участка 12 внутреннего элемента 9 расположена на спинке 6 от входной кромки 3 на расстоянии L1 не менее 5В, где В - ширина стенки 7 пера 2 лопатки.
Стенка 7 пера 2 на расстоянии L1 от входной кромки 3 образует монолитный участок 15. Со стороны выходной кромки 4 также стенкой 7 образован монолитный участок 16.
Для уменьшения массы рабочей лопатки длина L2 хвостовика 1 в месте соединения 17 с диском 18 вдоль оси 19 выполнена меньше на 15% длины L3 проточной поверхности 20 хвостовика 1 (терминология по ГОСТ 23537-79).
Задний торец 21 хвостовика 1 в месте соединения с диском 18 не выходит вдоль оси 19 за выходную кромку 4 пера лопатки.
При попадании посторонних предметов (птиц, градин и др.) на вход в газотурбинный двигатель, стенки 7, 8, внутренний элемент 9 и зоны их сварки испытывают нагрузки в зависимости от массы постороннего предмета.
В экстремальных случаях происходит деформация и повреждение входной кромки 3 лопатки, стенки 7 корыта 5, а затем и выходной кромки 4. Повреждение спинки 6 при этом наименьшее.
Наличие монолитных участков 15 и 16 соответственно в зоне входной кромки 3 и выходной кромки 4, а также расположение выходов 10 и 11 боковых участков 12 и 13 внутреннего элемента 9 на спинке 6 на заданном удалении от указанных кромок повышает надежность лопатки.
Рабочая лопатка вентилятора, содержащая хвостовик и перо с входной и выходной кромками, состоящее из корыта, спинки и расположенного между ними внутреннего элемента, отличающаяся тем, что выходы боковых участков внутреннего элемента выполнены на спинке пера лопатки в направлениях входной и выходной кромок пера, причем кромка выхода бокового участка внутреннего элемента со стороны входной кромки на спинке пера лопатки расположена от входной кромки пера на расстоянии L1 не менее 5В, где В - ширина стенки корыта пера лопатки, при этом длина L2 хвостовика в месте соединения с диском выполнена на 15% меньше длины L3 проточной поверхности хвостовика.
www.findpatent.ru
Изобретение относится к газотурбинным двигателям, а конкретнее используемым в них широкохордовых лопаток вентилятора. Лопатка (10) вентилятора содержит металлическую профильную часть (14), имеющую выемку (34), расположенную на ее первой стороне (16) и содержащую связанный с ней наполнитель (38). Выемка содержит множество ячеек (34b), разделенных соответствующими ребрами (36), которые утоплены в наполнитель. Изобретение обеспечивает создание улучшенной комбинированной лопатки вентилятора, имеющей пониженные концентрации напряжений и уменьшенную открытость границы раздела между грунтовкой и металлом. 2 н. и 18 з.п. ф-лы, 4 ил. 
Настоящее изобретение, в общем, касается газотурбинных двигателей, а конкретнее используемых в них широкохордовых лопаток вентилятора.
Турбовентиляторный газотурбинный двигатель содержит ряд лопаток вентилятора, приводимых в движение турбиной низкого давления (ТНД). В двигатель воздух вначале поступает через вентилятор, и внутренняя часть воздуха проходит в компрессор, который сжимает воздух для его смешивания с топливом к камере сгорания, где смесь сгорает с образованием горячих газообразных продуктов сгорания, которые протекают дальше через турбину высокого давления (ТВД), отбирающую энергию для вращения компрессора. Затем газообразные продукты сгорания протекают через ТНД, которая отбирает от них дополнительную энергию для вращения вентилятора. Остальная наружная часть воздуха, протекающего через вентилятор, выпускается из двигателя для образования тяги, создающей движение самолета при полете.
Лопатка вентилятора на своем внутреннем по радиусу конце содержит часть типа "ласточкин хвост", которая захвачена в сопряженной выемке типа "ласточкин хвост" на периметре диска ротора. Профильная часть прикреплена к части типа "ласточкин хвост" посредством конструктивной хвостовой части. Опорные площадки могут быть объединены за одно целое с лопаткой или отдельно прикреплены между соседними лопатками для образования внутренней по радиусу границы пути потока воздуха в вентиляторе, при этом опорная площадка радиально расположена над хвостовой частью у внутреннего по радиусу основания профильной части.
Профильная часть проходит радиально наружу к противоположной вершине и имеет переднюю или входящую кромку и противоположную по направлению оси заднюю или выходящую кромку, образующие вместе периметр профильной части. Профильная часть имеет по существу вогнутую, нагнетающую первую сторону и противоположную по направлению окружности, по существу выпуклую, засасывающую вторую сторону. Профильная часть имеет размах или продольную ось, проходящую в радиальном направлении от центральной линии диска ротора, к которому она прикреплена, и различные хорды, проходящие по существу по направлению оси между передней и задней кромками. Профильная часть обычно скручена от ее хвостовой части к ее вершине для максимального увеличения аэродинамических характеристик.
Широкохордовая лопатка вентилятора имеет сравнительно небольшое отношение ее размаха к хорде и является сравнительно тяжелой, когда выполнена как цельнометаллическая деталь. Уменьшение веса обычно достигается использованием высокопрочных специальных сплавов, как, например, титансодержащих сплавов. Однако, по мере того, как двигатели становятся все больше в размере, увеличивается размер и вес соответствующих лопаток вентилятора и затрудняется достижение приемлемого срока службы лопаток при высоких центробежных нагрузках, возникающих во время работы вентилятора.
В отдельных разработках лопатки вентилятора целиком выполняли из композиционного материала для снижения веса лопаток при одновременном обеспечении приемлемых характеристик в условиях эксплуатации в газотурбинном двигателе. Обычная лопатка из композиционного материала содержит несколько слоев конструкционных волокон, как, например, графитовых волокон, заделанных в подходящую матрицу, как, например, эпоксидную смолу для обеспечения прочности при легкой конструкции. Лопатки из композиционного материала требуют применения сложного технологического процесса и дороги в изготовлении.
Кроме того, разработаны комбинированные лопатки, которые состоят, в основном, из металла, как, например, титана, а для снижения веса имеют в себе соответствующие выемки, заполненные подходящим эластомерным наполнителем для создания законченного необходимого аэродинамического профиля профильной части. Выемки ограничены соответствующими, выполненными за одно целое металлическими ребрами, которые обеспечивают расположение металла на всю толщину профильной части для максимального увеличения остаточной жесткости профильной части и ее изгибающего момента инерции.
Однако выемки, снижающие вес, неизбежно прерывают структурную целостность профильной части, при этом обнаженные кромки выемок создают структурные разрывы в поверхности профильной части, примыкающей к наполнителю. Поэтому во время работы вентилятора эти ребра подвергаются локальной концентрации напряжений.
Во время работы вентилятора его лопатки вращаются и подвергаются центробежным нагрузкам, которые несет металлическая часть профильных частей, включая и ее ребра, при этом наполнитель лишь создает мертвый вес, который, в свою очередь, несет металлическая часть профильной части. Профильная часть подвергается вибрационному изгибу и кручению, которые, в свою очередь, увеличивают нагрузки и возникающие в результате напряжения, которым подвергается профильная часть, включая и ее ребра. Кроме того, лопатка вентилятора подвергается повреждению посторонним предметом (ППП), например, из-за удара птицы. Удар птицы подвергает лопатку дополнительной ударной нагрузке, которая еще более увеличивает напряжения в металлической профильной части, включая и ее ребра.
Для того чтобы обеспечить прочную связь между наполнителем и нижележащим металлом можно наносить грунтовочное покрытие в выемках перед их заполнением наполнителем. Когда наполнитель отвержден и связан с металлической профильной частью, его наружная поверхность непосредственно открыта окружающему воздуху и является совместно простирающейся или расположенной заподлицо с остающимся металлическим краем профильной части для образования соответствующей, аэродинамически очерченной стороны профильной части.
Однако нижележащая грунтовка обнажена по границе раздела между наполнителем и металлическим краем и, следовательно, подвергается разрушению из-за влажных условий, действия химических растворителей и повреждения при транспортировке. В таком случае разрушение грунтовки может привести к отслоению грунтовки от металлической профильной части и к соответствующему уменьшению полезного срока службы лопатки вентилятора.
Техническим результатом настоящего изобретения является создание улучшенной комбинированной лопатки вентилятора, имеющей пониженные концентрации напряжений и уменьшенную открытость границы раздела между грунтовкой и металлом.
Этот результат достигается тем, что лопатка вентилятора газотурбинного двигателя содержит металлическую профильную часть, имеющую первую и вторую противоположные стороны, проходящие по радиусу между основанием и вершиной и по направлению оси между передней кромкой и задней кромкой для сжатия воздуха, проходящего над ними, выемку, расположенную на первой стороне, имеющую периметр, проходящий вдоль края первой стороны вокруг передней и задней кромок, основания и вершины, и содержащую множество ячеек, разделенных соответствующими ребрами, и наполнитель, связанный в выемке, при этом ребра утоплены в наполнителе, и наполнитель образует открытую часть первой стороны профильной части, проходящей совместно с краем.
Ребра могут быть выполнены выпуклыми в сечении.
Ребра могут иметь скошенные стороны, плавно сопряженные с ячейками.
Ребра могут быть утоплены в наполнитель в пределах 0,5-2,5 мм.
Выемка может содержать фаску по ее периметру, плавно сопряженную с краем первой стороны профильной части. Фаска может быть скошена от указанного края внутрь в выемку. Фаска может быть скошена к утопленным ребрам и вдоль примыкающих к ней ячеек. Фаска может проходить по периметру выемки и краю первой стороны профильной части. Фаска может иметь другой уклон, чем ячейки.
Ребра могут быть выполнены выпуклыми в сечении, и выемка содержит фаску по ее периметру, плавно сопряженную с краем первой стороны профильной части. Ребра могут иметь скошенные стороны, плавно сопряженные с ячейками, и фаска скошена от указанного края внутрь в выемку. Уклон ребра может быть другим, чем уклон фаски. Уклон ребра может быть больше, чем уклон фаски. Уклон фаски может быть меньше, чем уклон ячеек.
Уклон ребра может быть равен приблизительно 60 градусам или меньше, уклон фаски является небольшим и равен приблизительно 20 градусам или меньше, и ребра утоплены в наполнитель в пределах около 0,5-2,5 мм.
Указанный технический результат достигается и тем, что лопатка вентилятора газотурбинного двигателя содержит металлическую профильную часть, имеющую первую и вторую противоположные стороны, проходящие по радиусу между основанием и вершиной и по направлению оси между передней кромкой и задней кромкой для сжатия воздуха, проходящего над ними, выемку, расположенную на первой стороне, имеющую периметр, проходящий вдоль края первой стороны вокруг передней и задней кромок, основания и вершины, и содержащую множество ячеек, разделенных соответствующими ребрами, выпуклыми в сечении, и фаску, выполненную по ее периметру, плавно сопряженную с краем первой стороны и скошенную от этого края внутрь в выемку, и наполнитель, связанный в выемке, при этом ребра утоплены в наполнитель.
Ребра по существу могут быть одинаково утоплены в наполнитель.
Наполнитель может быть расположен заподлицо с краем первой стороны профильной части и образует с ним сплошную поверхность, открытую к воздуху, проходящему над ней.
Наполнителем может быть эластомер, связанный с грунтовкой, покрывающей ячейки, ребра и фаску выемки.
Лопатка может дополнительно содержать хвостовую часть, объединенную за одно целое с основанием профильной части, часть типа "ласточкин хвост", объединенную за одно целое с хвостовой частью для установки лопатки на диске ротора.
В дальнейшем подробном описании изобретение конкретнее описывается на предпочтительных и примерных вариантах его воплощения наряду с указанием его других задач и преимуществ и со ссылкой на сопровождающие чертежи, на которых изображено следующее:
фиг.1 - вертикальный вид комбинированной лопатки вентилятора для газотурбинного двигателя, содержащей многоячеистую выемку, согласно примерному варианту воплощения настоящего изобретения,
фиг.2 - вид в радиальном направлении профильной части, показанной на фиг.1, в разрезе по линии 2-2 в средней части ее профильной части;
фиг.3 - увеличенный вид в радиальном направлении и в разрезе утопленного ребра профильной части, показанного на фиг.2 в пределах пунктирной окружности 3;
фиг.4 - увеличенный вид в радиальном направлении и в разрезе выемки, примыкающей к краю вблизи входящей кромки и показанной в пределах пунктирной окружности 4 на фиг.2, согласно примерному варианту воплощения настоящего изобретения.
На фиг.1 показана одна из нескольких лопаток 10 ротора вентилятора для турбовентиляторного газотурбинного двигателя, установленных по периметру частично показанного диска 12 ротора. Согласно настоящему изобретению лопатка выполнена в виде комбинированной лопатки, содержащей металлическую профильную часть 14, имеющую первую или нагнетающую сторону 16, которая является по существу вогнутой, и противоположную по направлению окружности вторую или засасывающую сторону 18, которая является по существу выпуклой. Первая и вторая стороны или поверхности 16, 18 радиально проходят вдоль размаха профильной части между внутренним по радиусу основанием 20 и противоположной, наружной по радиусу вершиной 22.
Кроме того, первая и вторая стороны проходят по направлению оси вдоль хорд профильной части между передней или входящей кромкой 24 и противоположной по направлению оси задней или выходящей кромкой 26. При работе вентилятора окружающий воздух 28 течет над двумя сторонами профильной части от передней кромки к задней кромке и обычным образом сжимается профильной частью для образования тяги, создающей движение самолета при полете.
Хотя профильная часть 14 может быть выполнена за одно целое с диском 12 ротора или непосредственно установлена на нем с образованием цельного узла, в варианте воплощения изобретения, показанном на фиг.1, каждая из профильных частей обычным образом прикреплена к диску с возможностью съема с него. Например, лопатка снабжена также металлической хвостовой частью 30, соединенной за одно целое с основанием 20 профильной части для установки лопатки на диске 12 ротора. Это осуществляется посредством использования обычной металлической части типа "ласточкин хвост" 32, соединенной за одно целое с хвостовой частью для установки лопатки в сопряженную выемку типа "ласточкин хвост" 12а в диске ротора. Профильная часть 14, хвостовая часть 30 и часть типа "ласточкин хвост" 32 с самого начала могут быть образованы как цельная или единая металлическая деталь, например, ковкой. Подходящим материалом для лопатки вентилятора является, например, титан.
Часть типа "ласточкин хвост" 32 обычно выполнена с возможностью вставления по направлению оси и захватывается сопряженной выемкой типа "ласточкин хвост" 12а, расположенной по направлению оси на периметре диска ротора. Хвостовая часть 30 обеспечивает структурный переход от части типа "ласточкин хвост" к аэродинамической профильной части и обычно сама не является аэродинамическим элементом. Хвостовая часть обычно укрыта от потока воздуха соответствующей связывающей опорной площадкой (не показана), которая расположена у основания 20 профильной части и выполнена либо за одно целое с ним, либо как отдельно установленные площадки обычным образом между соседними лопатками.
Согласно настоящему изобретению профильная часть 14 содержит углубление или выемку 34, предпочтительно расположенную только на первой или нагнетающей стороне 16 и имеющей полный четырехсторонний периметр 34а, проходящий вдоль края 16а первой стороны профильной части около входящей и выходящей кромок 24, 26, основания 20 и вершины 22.
Выемка 34 содержит множество отделений или ячеек 34b, отделенных друг от друга соответствующими металлическими ребрами 36. В примерном варианте воплощения изобретения, показанном на фиг.1, многочисленные ребра 36, расположенные по направлению хорд и радиуса, пересекают друг друга, ограничивая пять примерных ячеек 34b выемки.
Вся выемка, включая и ее ячейки, содержит эластомерный наполнитель 38, подходящим образом связанный с ними, при этом ребра 36 заглублены или утоплены в наполнитель ниже его открытой поверхности.
Основная профильная часть 14, показанная на фиг.1, выполнена из металла для обеспечения структурной целостности и возможности выдерживать аэродинамические, центробежные и вибрационные нагрузки во время работы вентилятора, когда его лопатка вращается, сжимая воздух 28 для образования тяги, создающей движение. Выемка, включая и ее ячейки, выполнены в профильной части для снижения ее общего веса и уменьшения центробежных нагрузок во время работы вентилятора. Наполнитель 38 является сравнительно легким и может быть любого подходящего вида, как, например, эластомером или полиуретаном, для заполнения выемки и образования сплошной поверхности на первой стороне профильной части, которая открыта потоку воздуха 28 для его сжатия.
На фиг.2 показан примерный вид в радиальном направлении разреза через часть профильной части, показанной на фиг.1, при этом металлическая профильная часть и лопатка выполнены непрерывными от передней кромки 24 до задней кромки 26, а также непрерывными от части типа "ласточкин хвост" 32 до вершины 22 профильной части, показанных на фиг.1. Как показано на фиг.2, передняя и задняя кромки 24, 26 выполнены сравнительно тонкими и острыми для максимального увеличения аэродинамической эффективности и являются полностью металлическими между засасывающей стороной 18 и крайней (граничной) частью 16а нагнетающей стороны 16 для обеспечения прочности и структурной целостности несмотря на введение выемки 34, включая ее несколько ячеек.
Ячейки 34b по их периметрам ограничены соответствующими ребрами 36 и соответствующими частями края 16а первой стороны. Общий профиль профильной части 14, показанный на фиг.2, определяет между ее противоположными сторонами подходящий аэродинамический профиль, специально очерченный для максимального увеличения эффективности сжатия окружающего воздуха во время работы вентилятора. Металлическая профильная часть у отдельных ячеек 34b выполнена сравнительно тонкой для уменьшения до минимума веса профильной части при сохранении непрерывного структурного пути нагружения по всей профильной части и ее структурной целостности.
Наполнитель 38 вводят в ячейки для замены объема металла, потерянного из-за введения самих ячеек, чтобы восстановить профильную часть до необходимого аэродинамического профиля, включая наполнитель 38 на первой стороне 16. Таким образом, первая сторона 16 профильной части образуется частично краем 16а, непосредственно открытым к наружному воздуху, и в остальной части - открытой наружной поверхностью наполнителя 38. Укрытая часть первой стороны профильной части под наполнителем 38 определяет несколько ячеек 34b и ребра 36, расположенные между ними.
На фиг.3 подробнее показан пример одного из утопленных ребер 36 и вышележащего наполнителя 38, открытого к окружающему воздуху. Как указывалось выше, в качестве наполнителя 38 может быть использован любой подходящий материал, предпочтительно эластомер, для восприятия упругой деформации во время работы вентилятора, когда металлическая профильная часть подвергается нагрузке. Эластомерный наполнитель 38, как, например, полиуретан, предпочтительно связывают с грунтовкой 40, которую первой наносят на выемку, включая ее ячейки 34b, ребра 36 и фаску 34с. Подходящей грунтовкой является грунтовка "Ти-Плай БН", доступная от "Лорд корпорейшн", Эри, шт.Пенсильвания, США.
Как показано на фиг.4, наполнитель 38 предпочтительно расположен заподлицо или вровень с краем 16а профильной части и вместе с ним образует непрерывную аэродинамическую поверхность, открытую к воздуху, который проходит над ней. Таким образом, наполнитель 38 соединен с металлическим краем 16а по всему периметру 34а выемки, при этом к окружающему воздуху непосредственно открыта только кромка нижележащего грунтовочного покрытия.
Особое преимущество настоящего изобретения заключается в том, что несколько ребер 36, показанных на фиг.1-3, утоплены в наполнитель 38 и, таким образом, не создают дополнительные места, где грунтовка открыта к поверхности профильной части. Следовательно, открытость поверхности грунтовки ограничивается периметром 34а выемки, показанной на фиг.1, при этом несколько ребер 36 утоплены в наполнитель. Таким образом, ограничены по протяженности кромки по периметру самого наполнителя, что соответственно ограничивает имеющиеся места наполнителя, подверженные разрушению на протяжении срока службы лопатки.
Однако утапливание ребер 36 под наполнитель и под определяемый им аэродинамический профиль соответственно уменьшает изгибающий момент инерции металлической профильной части и ее соответствующую прочность.
В предпочтительном варианте воплощения изобретения ребра 36 утоплены в наполнитель в ограниченной степени предпочтительно в пределах около 0,5-2,5 мм для сохранения сравнительно тонкого слоя или связки наполнителя 38 непосредственно над ними, как это показано на фиг.3. Таким образом, сплошная поверхность наполнителя 38 открыта к окружающему воздуху и образует основную часть открытой первой стороны профильной части, которая проходит совместно с краем 16а, показанным на фиг.1.
Однако, т.к. сами ребра 36 являются частями металлической профильной части, выполненными за одно целое с ней, то они обеспечивают структурную целостность самой профильной части и при работе вентилятора несут значительные нагрузки. Ребра, использовавшиеся в более ранних разработках комбинированной лопатки, для сохранения прочности были обнажены на поверхности профильной части и, таким образом, открывали бы к внешней среде дополнительную грунтовку. Эти прежние ребра имели параллельные стороны и соответствующие острые углы, которые создавали значительные концентрации напряжений и увеличивали местные напряжения во время работы вентилятора.
Для того чтобы уменьшить концентрацию напряжений, несколько ребер 36 имеют каждое изогнутое поперечное сечение или профиль, как это подробно показано на фиг.3. Ребро 36 выполнено по существу выпуклым или закругленным наружу и без острых углов.
Каждое ребро 36 является по существу симметричным в поперечном сечении и содержит противоположные стороны, которые являются скошенными или наклоненными под соответствующими углами уклона сторон А, измеряемыми относительно горизонтальной или по существу плоской поверхности наполнителя 38. Стороны ребра плавно скошены от закругленной вершины ребра к сравнительно плоским донышкам примыкающих ячеек 34b, образуя плавный переход к ним.
Профиль каждого ребра 36 выполнен скошенным и плавно сопряженным в нескольких целях. Прежде всего, ребра используются для разделения отдельных ячеек 34b при сохранении структурной целостности металлической профильной части. Если угол уклона А боковых стенок ребра будет слишком малым, то объем примыкающих ячеек будет соответственно небольшим, а уменьшение веса будет ограниченным. Если угол уклона А будет слишком крутым или большим, то увеличатся соответствующие напряжения на границе раздела между ребрами и наполнителем. Кроме того чтобы уменьшить до минимума напряжения на границе раздела и вес профильной части, углы уклона боковых стенок по желанию могут быть равными или неравными.
Кроме того, ребра 36 утоплены под открытую поверхность наполнителя 38 для сохранения непрерывности наполнителя как аэродинамической поверхности, а это утапливание ребра соответственно уменьшает изгибающий момент инерции сечения профильной части и может увеличить напряжения в ней.
Таким образом, вовремя работы вентилятора вершины ребер подвергаются большим напряжениям, которые согласно одному отличительному признаку настоящего изобретения уменьшаются благодаря скруглению вершин соответствующими галтелями или радиусами для устранения острых углов.
Как указывалось выше, ребра 36 утапливают ниже открытой поверхности наполнителя на величину в сравнительно узких пределах около 0,5-2,5 мм, чтобы максимально увеличить прочность профильной части при сохранении подходящей прочности и непрерывности связки из наполнителя поверх ребер.
После того, как в наполнитель 38 утоплено несколько ребер 36, показанных на фиг.1, единственная выемка 34 открыта на поверхности профильной части и имеет непрерывный окружающий периметр 34а. Отдельные ячейки 34b выемки утоплены и не видны, когда они заполнены наполнителем.
Как указывалось выше, на фиг.1 и 2 показан типичный профиль профильной части лопатки вентилятора, который является сравнительно тонким от входящей кромки до выходящей кромки. Передняя и задняя кромки 24, 26 сами являются тонкими и острыми и выполнены только из основного металла для обеспечения их прочности. Металлический край 16а профильной части простирается внутрь от передней и задней кромок для обеспечения прочности кромок профильной части до перехода в примыкающие ячейки 34b выемки.
Как показано на фиг.1, несколько ребер 36 ориентировано так, как желательно, для обеспечения структурной целостности профильной части, чтобы выдерживать обычные радиальные, осевые и крутильные нагрузки, испытываемые во время работы вентилятора. Кроме того, нагрузки, испытываемые лопаткой во время работы вентилятора, могут быть вызваны повреждением посторонними предметами (ППП), как, например, вследствие удара птицы, обычно о входящую кромку 24 профильной части.
Чтобы еще более увеличить структурную целостность профильной части, имеющей в себе выемку для уменьшения веса, выемка 34, как первоначально показано на фиг.1, предпочтительно содержит утопленную фаску 34с, которая непрерывно проходит по периметру 34а выемки для плавного сопряжения выемки с металлическим краем 16а.
На фиг.4 подробнее показан вид в разрезе фаски 34с в предпочтительном варианте воплощения изобретения. Фаска 34с под углом В скошена от поверхности края 16а профильной части внутрь в выемку. Таким образом, фаска определяет четко выраженный уклон или скос от кромки выемки, очерченной периметром 34а, и обеспечивает плавный переход между краем 16а профильной части и соответствующими ячейками 34b выемки, в которых металлическая профильная часть уменьшается по толщине.
Таким образом, уменьшаются или устраняются сравнительно острые углы и резкие изменения в непрерывности металла для соответственного уменьшения концентрации напряжений в месте соединения наполнителя и металлического края 16а. Различные нагрузки, возникающие при работе лопатки вентилятора, включая и нагрузки от ударов птиц, таким образом, эффективнее выдерживаются металлической профильной частью между передней и задней кромками и от основания до вершины без явно выраженных концентраций напряжений по периметру выемки, по периметрам ее ячеек 34b или вдоль отдельных утопленных ребер 36.
Как показано на фиг.1, фаска 34с скошена внутрь от периметра 34а выемки вдоль нескольких ячеек 34b выемки, а также вдоль утопленных ребер 36, пересекающих периметр выемки.
Таким образом, выполнена непрерывная отчетливая фаска 34с по периметру 34а выемки и по металлическому краю 16а для обеспечения плавного перехода от металлического края к соответствующим выемкам и ребрам.
Как показано на фиг.4, фаска 34с имеет угол уклона В, который предпочтительно отличается от угла уклона С примыкающих ячеек 34b выемки в местах пересечения с ними. Угол уклона В фаски предпочтительно меньше, чем угол уклона С ячейки, для образования отчетливой, по существу плоской фаски по всему периметру выемки и примыкающего металлического края.
Таким образом, отчетливая фаска обеспечивает плавное сопряжение ячеек и ребер у металлического края для уменьшения концентрации напряжений. Отчетливую фаску легко выверять на станках с ЧПУ для ее точного изготовления.
Как показано на фиг.3 и 4, угол уклона А ребра также предпочтительно отличается от угла уклона В фаски, при этом уклон ребра предпочтительно больше, чем уклон фаски. Уклоны ребра и фаски имеют разное назначение и соответственно различаются по величине. Пологий уклон В фаски предпочитается для улучшения структурной целостности металлической профильной части и непрерывности структурных путей нагружения между передней и задней кромками, основанием и вершиной профильной части. Предпочитаются более высокие значения уклона ребер для максимального увеличения объема примыкающих ячеек 30в выемки с целью уменьшения веса, однако без образования недопустимо больших концентраций напряжений у самих ребер.
Как показано на фиг.1, все ребра 36 предпочтительно по существу одинаково утоплены в наполнитель 38 для обеспечения одинаково толстых связок из наполнителя над ребрами, показанных на фиг.3. Утопленные ребра плавно сопрягаются с металлическим краем 16а у фаски 34с выемки, как это показано на фиг.4.
Угол уклона В фаски предпочтительно небольшой и равен около 20 градусов или менее, предпочтительно, например, около 15 градусов. Угол уклона С ячейки у фаски выемки несколько больше, чем угол уклона В фаски, приблизительно на 2-7 градусов в предпочтительном варианте воплощения изобретения.
Соответственно угол уклона А ребра, показанный на фиг.3, предпочтительно равен около 60 градусов или меньше - около 20 градусов в предпочтительном варианте воплощения изобретения.
Утопленные и скошенные ребра обеспечивают существенное улучшение структурной целостности вышеописанной комбинированной лопатки вентилятора, позволяя значительно уменьшить вес при сохранении прочности профильной части. Концентрации напряжений у ребер значительно уменьшаются вследствие их изогнутых профилей, а скошенная поверхность сопряжения между выемкой и примыкающим металлическим краем вокруг нее еще более уменьшает концентрации напряжений и улучшает структурную целостность профильной части. Наполнитель, введенный в многоячеистую выемку, имеет сплошную поверхность, которая открыта к окружающему воздуху, образует основную часть первой стороны профильной части и расположена совместно и заподлицо с окружающим металлическим краем 16а, образующим остальную часть аэродинамической поверхности. Грунтовка под наполнителем обнажена только по периметру 34а выемки и значительно уменьшает число мест, в которых возможно разрушение кромок наполнителя.
Хотя здесь описаны предпочтительные и примерные варианты воплощения настоящего изобретения, для специалистов в данной области на основании изложенных здесь технических решений будут очевидны другие модификации изобретения, находящиеся в пределах существа и объема формулы изобретения.
1. Лопатка вентилятора газотурбинного двигателя, содержащая металлическую профильную часть, имеющую первую и вторую противоположные стороны, проходящие по радиусу между основанием и вершиной и по направлению оси между передней кромкой и задней кромкой для сжатия воздуха, проходящего над ними, выемку, расположенную на первой стороне, имеющую периметр, проходящий вдоль края первой стороны вокруг передней и задней кромок, основания и вершины, и содержащую множество ячеек, разделенных соответствующими ребрами, и наполнитель, связанный в выемке, при этом ребра утоплены в наполнителе, и наполнитель образует открытую часть первой стороны профильной части, проходящей совместно с краем.
2. Лопатка по п.1, в которой ребра выполнены выпуклыми в сечении.
3. Лопатка по п.2, в которой ребра имеют скошенные стороны, плавно сопряженные с ячейками.
4. Лопатка по п.3, в которой ребра утоплены в наполнитель в пределах 0,5-2,5 мм.
5. Лопатка по п.1, в которой выемка содержит фаску по ее периметру, плавно сопряженную с краем первой стороны профильной части.
6. Лопатка по п.5, в которой фаска скошена от указанного края внутрь в выемку.
7. Лопатка по п.6, в которой фаска скошена к утопленным ребрам и вдоль примыкающих к ней ячеек.
8. Лопатка по п.7, в которой фаска проходит по периметру выемки и краю первой стороны профильной части.
9. Лопатка по п.7, в которой фаска имеет другой уклон, чем ячейки.
10. Лопатка по п.1, в которой ребра выполнены выпуклыми в сечении, и выемка содержит фаску по ее периметру, плавно сопряженную с краем первой стороны профильной части.
11. Лопатка по п.10, в которой ребра имеют скошенные стороны, плавно сопряженные с ячейками, и фаска скошена от указанного края внутрь в выемку.
12. Лопатка по п.11, в которой уклон ребра является другим, чем уклон фаски.
13. Лопатка по п.12, в которой уклон ребра больше, чем уклон фаски.
14. Лопатка по п.13, в которой уклон фаски меньше, чем уклон ячеек.
15. Лопатка по п.11, в которой уклон ребра равен приблизительно 60° или меньше, уклон фаски является небольшим и равен приблизительно 20° или меньше, и ребра утоплены в наполнитель в пределах около 0,5-2,5 мм.
16. Лопатка вентилятора газотурбинного двигателя, содержащая металлическую профильную часть, имеющую первую и вторую противоположные стороны, проходящие по радиусу между основанием и вершиной и по направлению оси между передней кромкой и задней кромкой для сжатия воздуха, проходящего над ними, выемку, расположенную на первой стороне, имеющую периметр, проходящий вдоль края первой стороны вокруг передней и задней кромок, основания и вершины, и содержащую множество ячеек, разделенных соответствующими ребрами, выпуклыми в сечении, и фаску, выполненную по ее периметру, плавно сопряженную с краем первой стороны и скошенную от этого края внутрь в выемку, и наполнитель, связанный в выемке, при этом ребра утоплены в наполнитель.
17. Лопатка по п.16, в которой ребра по существу одинаково утоплены в наполнитель.
18. Лопатка по п.17, в которой наполнитель расположен заподлицо с краем первой стороны профильной части и образует с ним сплошную поверхность, открытую к воздуху, проходящему над ней.
19. Лопатка по п.18, в которой наполнителем является эластомер, связанный с грунтовкой, покрывающей ячейки, ребра и фаску выемки.
20. Лопатка по п.19, дополнительно содержащая хвостовую часть, объединенную за одно целое с основанием профильной части, часть типа "ласточкин хвост", объединенную за одно целое с хвостовой частью для установки лопатки на диске ротора.
www.freepatent.ru
