Панель-подложка для истирающегося покрытия в газотурбинном двигателе
Предложена панель-подложка для истирающегося покрытия для турбореактивного двигателя, содержащая жесткую подложку для крепления на внутренней стенке картера вентилятора, одна сторона которой покрыта слоистой структурой, поддерживающей слой истирающегося материала. Слоистая структура содержит слои волокон, погруженных в полимер, а также первую часть с нанесенным на нее истирающимся покрытием и вторую часть, расположенную за пределами истирающегося покрытия. Толщина задней части превышает толщину передней части и может противостоять ударам льда. Другое изобретение группы относится к гондоле турбореактивного двигателя, содержащей панели-подложки для истирающегося покрытия, выполненные, как указанно выше. Еще одно изобретение группы относится к авиационному турбореактивному двигателю, содержащему панели-подложки для истирающегося покрытия, выполненные, как указано выше, и расположенные напротив лопаток вентилятора. Задние части слоистых структур этих панелей располагаются сзади лопаток вентилятора до звукоизоляционных панелей. Изобретения позволяют упростить изготовление и обслуживание панелей с истирающимся покрытием. 3 н. и 12 з.п. ф-лы, 5 ил.
Настоящее изобретение относится к панели, содержащей слой истирающегося материала, а также к газотурбинному двигателю, содержащему такие панели.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Двухконтурный газотурбинный двигатель содержит на своем входном конце колесо вентилятора, включающее множество лопаток и вращающееся в картере вентилятора. Находящийся на входе колеса вентилятора обтекатель позволяет направлять входящий воздушный поток в сторону лопаток вентилятора. Чтобы избежать циркуляции воздуха в вершине лопаток, которая может снизить производительность газотурбинного двигателя, напротив лопаток вентилятора на радиально внутреннюю сторону картера вентилятора наносят покрытие из истирающегося материала.
Во время работы газотурбинного двигателя в полете на поверхности обтекателя и на уровне радиально внутренних концов перьев лопаток образуется наледь. Под действием центробежной силы куски льда отрываются и сталкиваются с частью картера вентилятора, находящейся за истирающимся покрытием.
Чтобы избежать повреждения внутренней стенки картера вентилятора сзади истирающегося покрытия, на картере вентилятора крепят панели из стекловолокна, установленные на амортизирующих штифтах. Эти защитные панели содержат наслоение из нескольких слоев стекловолокон и соединены на выходе со звукоизоляционными панелями.
Однако использование защитных панелей вынуждает уменьшать осевой размер звукоизоляционных панелей, что приводит к повышению уровня шума, создаваемого газотурбинным двигателем, и противоречит требованиям его снижения. Кроме того, защитные панели необходимо выполнять в виде единого блока со звукоизоляционными панелями, что усложняет процесс их изготовления и повышает их стоимость. Наконец, при техническом обслуживании замена защитной панели влечет за собой замену неподвижно соединенной с ней звукоизоляционной панели, что существенно увеличивает затраты, так как изготовление звукоизоляционных панелей является сложным и дорогим.
В настоящее время лопатки с широкой хордой, то есть с криволинейным сечением, являются более предпочтительными, чем прямые лопатки, так как они позволяют за счет своей более выраженной аэродинамической формы повысить производительность вентилятора и лучше противостоят ударам посторонних тел во время полета, например, при попадании в вентилятор птиц.
Однако специальная форма этих лопаток приводит к удлинению зоны удара льда на входе по истирающемуся покрытию, находящемуся напротив лопатки вентилятора. Действительно, при таком типе лопатки зона удара начинается примерно на двух третях осевого размера истирающегося покрытия и заканчивается на выходе лопатки. Таким образом, защитные панели, обычно используемые для прямых лопаток, не приспособлены для вентилятора с лопатками с широкой хордой и не могут защищать всю часть картера, подвергающуюся ударам льда.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение призвано, в частности, предложить простое, экономичное и эффективное решение этих проблем.
В этой связи объектом изобретения является панель-подложка для истирающегося покрытия для турбореактивного двигателя, содержащая жесткую подложку, которая предназначена для крепления на внутренней стенке картера вентилятора, одна сторона которой покрыта слоистой структурой, содержащей слой истирающегося материала, при этом слоистая структура содержит слои волокон, погруженных в полимер, отличающаяся тем, что слоистая структура содержит первую часть, или переднюю часть, с истирающимся покрытием и вторую часть, или заднюю часть, которая расположена за пределами истирающегося покрытия, при этом толщина задней части превышает толщину передней части и может противостоять ударам льда.
Таким образом, задняя защитная часть находится на панели с истирающимся покрытием, а не на звукоизоляционных панелях, находящихся сзади. Разделение защитных и звукоизоляционных панелей позволяет упростить изготовление защитных панелей и снизить стоимость операций обслуживания, поскольку замена задней слоистой части не влечет за собой замену звукоизоляционных панелей.
Согласно другому отличительному признаку изобретения передняя часть слоистой структуры имеет постоянную толщину на большей части своей длины и соединена с задней частью зоной, толщина которой постепенно увеличивается в сторону выхода. Увеличение этой толщины позволяет защитить основную часть картера, повергающуюся ударам льда.
Передняя часть слоистой структуры, которая имеет постоянную толщину, расположена примерно на двух третях осевого размера истирающегося покрытия.
Жесткая подложка предпочтительно имеет ячеистую структуру и может содержать две наложенные друг на друга ступени также с ячеистой структурой, разделенные пластиной.
Эта ячеистая структура представляет особый интерес, так как является легкой и может быть легко заменена во время операции обслуживания. Кроме того, она позволяет распределить на большой площади энергию, высвобождаемую при ударе льда по слоистой структуре, что позволяет увеличить срок службы всей панели-подложки для истирающегося покрытия.
Ячейки, поддерживающие заднюю часть слоистой структуры, предпочтительно имеют сечение, меньшее сечения ячеек, поддерживающих переднюю часть слоистой структуры.
Основная часть ударов льда приходится на заднюю часть слоистой структуры, поэтому предпочтительно уменьшить сечения ячеек, образующих заднюю часть слоистой структуры, чтобы распределить энергию, высвобождаемую при ударах, на максимальное количество ячеек.
Обычно ячейки переднего и заднего концов подложки закрывают слоем вспененного полимерного материала.
Предпочтительно, передняя и задняя части слоистой структуры могут содержать наслоение соответственно из 4-7 слоев волокон и 11-18 слоев стекловолокон, погруженных в эпоксидную смолу.
Жесткая подложка может быть выполнена в виде сот, и панель может иметь форму цилиндрического или конусного сектора.
Объектом изобретения является также гондола турбореактивного двигателя, отличающаяся тем, что содержит панели-подложки для истирающегося покрытия вышеуказанного типа.
Гондола может содержать от 4 до 6 установленных встык панелей-подложек для истирающегося покрытия.
Объектом изобретения является также авиационный турбореактивный двигатель, отличающийся тем, что содержит панели-подложки для истирающегося покрытия описанного типа, расположенные напротив лопаток вентилятора таким образом, чтобы задние части слоистых структур этих панелей располагались сзади лопаток вентилятора до звукоизоляционных панелей.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Настоящее изобретение и его другие детали, преимущества и отличительные признаки будут более очевидны из нижеследующего описания, представленного в качестве неограничительного примера, со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг.1 - схематичный вид в осевом полуразрезе вентилятора турбореактивного двигателя.
Фиг.2 - схематичный вид в осевом разрезе панели, защищающей картер вентилятора, из предшествующего уровня техники.
Фиг.3 - схематичный вид в осевом разрезе картера вентилятора, содержащего панель-подложку для истирающегося покрытия в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг.4 - схематичный вид в осевом разрезе картера вентилятора, содержащего панель-подложку для истирающегося покрытия согласно варианту изобретения.
Фиг.5 - схематичный вид в осевом разрезе картера вентилятора, содержащего панель-подложку для истирающегося покрытия согласно другому варианту изобретения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
На фиг.1 показан вентилятор 10 турбореактивного двигателя с осью 12, содержащий колесо, образованное диском 14, на периферии которого установлено множество лопаток 16, ножки которых заходят в пазы диска 14 и перья 18 которых ориентированы радиально наружу в направлении картера 20 вентилятора, на котором установлена гондола 22, охватывающая снаружи лопатки 16. Колесо вентилятора приводится во вращение вокруг оси 12 газотурбинного двигателя при помощи вала 24, закрепленного болтами 26 на усеченной конусной стенке 28, неподвижно соединенной с колесом вентилятора. Вал 24 установлен и направляется на опорном подшипнике 30, который установлен на переднем конце кольцевой опоры 32, закрепленной на выходе на промежуточном картере (не показан), находящемся на выходе компрессора 34 низкого давления, ротор 36 которого неподвижно соединен с колесом вентилятора при помощи соединительной стенки 38.
На входном конце турбореактивного двигателя установлен входной обтекатель 40, предназначенный для отклонения входящего воздушного потока в направлении лопаток 16 вентилятора.
На внутренней стороне картер 20 вентилятора содержит покрытие 42 из истирающегося материала, расположенное напротив лопаток 16 вентилятора и предназначенное для истирания во время контакта с радиально наружными концами лопаток 16. Этот слой 42 истирающегося материала позволяет уменьшить зазоры между вершинами лопаток 16 и картером 20 вентилятора и оптимизировать, таким образом, характеристики газотурбинного двигателя.
На выходе слоя истирающегося покрытия 42 установлена защитная панель 44, неподвижно соединенная своим задним концом со звукоизоляционной панелью 46. Защитная панель 44 закреплена на картере 20 при помощи радиальных штифтов 48.
Во время работы газотурбинного двигателя наледь, накапливающаяся на поверхности обтекателя 40 и на радиально внутренних концах лопаток 16, отбрасывается в контур забора воздуха под действием центробежной силы и сталкивается с панелью 44, которая защищает картер от ударов льда. Радиальные штифты 48 позволяют амортизировать часть энергии, высвобождаемой при ударах льда.
Однако моноблочное выполнение защитной панели 44 и звукоизоляционной панели 46 является сложным и дорогим по вышеупомянутым причинам.
Кроме того, для лопаток с широкой хордой ударная зона расположена не только на выходе истирающегося покрытия 42, но также на части истирающегося покрытия 42, находящейся напротив лопаток, и использование защитной панели 44 на выходе истирающегося покрытия 42 не позволяет эффективно защищать всю зону картера 20, подвергающуюся ударам льда.
Изобретение позволяет решить эти, а также вышеупомянутые проблемы путем интегрирования защиты от ударов льда в панель-подложку для истирающегося покрытия.
Для этого слоистая структура 50, содержащая слои волокон, погруженных в полимер, покрывает внутреннюю сторону жесткой подложки 52, закрепленную на картере вентилятора, и содержит переднюю часть 54 с истирающимся покрытием 42 и заднюю часть 56, расположенную за пределами истирающегося покрытия 42.
Передняя часть 54 слоистой структуры 50 имеет постоянную толщину на большей части своего осевого размера и соединена с задней частью 56 зоной 57, толщина которой постепенно увеличивается в сторону выхода. Задняя часть 56 слоистой структуры 50 имеет толщину, превышающую толщину передней части 54, и образует, таким образом, слой защиты от ударов льда.
Жесткая подложка 52 имеет ячеистую структуру, передний и задний концы которой закрыты слоем 58 вспененного полимера.
Эта ячеистая структура может содержать ячейки 60 одинакового размера по всей своей длине (фиг.3).
В варианте ячейки 62, поддерживающие заднюю часть 56 слоистой структуры 50, могут иметь сечения, меньшие сечений ячеек 64, поддерживающих переднюю часть 54 слоистой структуры 50. Действительно, поскольку большинство ударов приходится на заднюю часть 56 слоистой структуры 50, предпочтительно уменьшить сечение ячеек, поддерживающих заднюю часть 56 слоистой структуры 50, чтобы энергия удара куска льда передавалась на максимальное число ячеек 62 (фиг.4).
На фиг.5 показана жесткая подложка 52, содержащая две наложенные друг на друга ступени с ячеистой структурой, из которых радиально наружная ступень 66 закреплена на картере 20 вентилятора, а другая, радиально внутренняя ступень 68, поддерживает слоистую структуру 50. Внутренняя 68 и наружная 66 ступени разделены пластиной 70. Все ячейки 72 радиально наружной ступени 66 имеют одинаковое сечение, тогда как ячейки 74 радиально внутренней ступени 68, закрепленные на задней части 56 слоистой структуры, имеют меньшее сечение, чем ячейки 76 этой же ступени, поддерживающие переднюю часть 54 слоистой структуры.
Для крепления слоистой структуры 50 можно использовать другие типы жесткой подложки 52, например, такие как пеноматериал. Однако ячеистая структура лучше передает энергию удара куска льда по сравнению с пеноматериалом, в котором высвобождаемая во время удара энергия остается локально сконцентрированной.
Во время нормальной работы использование ячеистой структуры позволяет легко заполнить пространство между радиально наружными концами лопаток и картером по сравнению с заполнением этого пространства только за счет истирающегося покрытия.
В случае, когда радиальный зазор между картером 20 и лопатками 16 должен быть большим, например порядка 25-50 мм, предпочтительно выполнять ячеистую структуру 52 из двух ступеней, чтобы во время операции обслуживания техник мог менять только радиально внутреннюю ступень.
Предпочтительно, ячеистая структура 52 является сотовой структурой, и слои волокон являются слоями стекловолокон, погруженных в эпоксидную смолу.
В практическом примере выполнения изобретения передняя 54 и задняя 56 части слоистой структуры 50 содержат наслоение из 4-7 слоев волокон и наслоение из 11-18 слоев волокон соответственно, и переходная зона переменной толщины между передней 54 и задней 56 частями слоистой структуры 50 имеет осевой размер 1-2 сантиметра.
Панель-подложку для истирающегося покрытия выполняют, располагая несколько слоев волокон на ячеистой структуре 52 таким образом, чтобы толщина была больше на выходе панели, чем на входе панели. Поскольку каждый слой стекловолокон характеризуется преимущественным направлением образующих его волокон, слои можно накладывать друг на друга таким образом, чтобы волокна одного слоя образовали угол 45° с волокнами верхнего или нижнего слоя. Такое выполнение позволяет повысить жесткость слоистой структуры 50 после прохождения через сушильный шкаф для полимеризации и упрочнения слоев волокон.
После этого свободную сторону ячеистой структуры наклеивают на внутреннюю сторону картера 20 вентилятора, и слой истирающегося покрытия 42, предназначенный для вхождения в контакт с радиально наружными концами лопаток 16, наносят на внутреннюю поверхность передней части 54 слоистой структуры 50, например, при помощи шпателя таким образом, чтобы задний конец слоя истирающегося покрытия 42 находился в контакте с передним концом задней части 56 слоистой структуры 50.
Панель может иметь форму цилиндрического или конусного сектора, и гондола 22 может содержать от 4 до 6 секторов панелей, установленных встык.
Разделение задней звукоизоляционной панели 46 и слоистой структуры 50 защиты от ударов льда позволяет упростить техническое обслуживание и снизить его стоимость. Кроме того, такая панель-подложка для истирающегося покрытия позволяет эффективно предохранять основную часть зоны картера, повергающейся ударам льда, за счет постепенного изменения слоистой структуры между передней 54 и задней 56 частями.
1. Панель-подложка для истирающегося покрытия для турбореактивного двигателя, содержащая жесткую подложку (52), которая предназначена для крепления на внутренней стенке картера (20) вентилятора и одна сторона которой покрыта слоистой структурой (50), поддерживающей слой истирающегося материала (42), при этом слоистая структура (50) содержит слои волокон, погруженных в полимер, отличающаяся тем, что слоистая структура (50) содержит первую часть, или переднюю часть (54) с нанесенным на нее истирающимся покрытием (42) и вторую часть, или заднюю часть (56), которая расположена за пределами истирающегося покрытия (42), при этом толщина задней части (56) превышает толщину передней части (54) и может противостоять ударам льда.
2. Панель по п.1, отличающаяся тем, что передняя часть (54) слоистой структуры (50) имеет постоянную толщину на большей части своей длины и соединена с задней частью (56) зоной, толщина которой постепенно увеличивается в сторону выхода.
3. Панель по п.2, отличающаяся тем, что передняя часть (54) постоянной толщины расположена примерно на двух третях осевого размера истирающегося покрытия (42).
4. Панель по п.1, отличающаяся тем, что жесткая подложка (52) имеет ячеистую структуру.
5. Панель по п.4, отличающаяся тем, что жесткая подложка (52) содержит две наложенные друг на друга ступени (66, 68) с ячеистой структурой, разделенные пластиной (70).
6. Панель по п.4, отличающаяся тем, что ячейки (62, 74), поддерживающие заднюю часть (56) слоистой структуры (50), имеют сечение, меньшее сечения ячеек (64, 76), поддерживающих переднюю часть (54) слоистой структуры (50).
7. Панель по п.4, отличающаяся тем, что ячейки переднего и заднего концов подложки закрывают слоем вспененного полимерного материала (58).
8. Панель по п.1, отличающаяся тем, что жесткая подложка (52) выполнена в виде сот.
9. Панель по п.1, отличающаяся тем, что передняя часть (54) слоистой структуры (50) содержит наслоение из 4-7 слоев волокон.
10. Панель по п.1, отличающаяся тем, что задняя часть (56) слоистой структуры (50) содержит наслоение из 11-18 слоев волокон.
11. Панель по п.1, отличающаяся тем, что слои волокон являются слоями стекловолокон, погруженных в эпоксидную смолу.
12. Панель по п.1, отличающаяся тем, что имеет форму цилиндрического или конусного сектора.
13. Гондола турбореактивного двигателя, отличающаяся тем, что содержит панели-подложки для истирающегося покрытия по п.1.
14. Гондола по п.13, отличающаяся тем, что содержит от 4 до 6 установленных встык панелей.
15. Авиационный турбореактивный двигатель, отличающийся тем, что содержит панели-подложки для истирающегося покрытия по п.1, расположенные напротив лопаток (16) вентилятора (10) таким образом, чтобы задние части (56) слоистых структур (50) этих панелей располагались сзади лопаток (16) вентилятора до звукоизоляционных панелей.
