Лопатка осевой лопаточной машины



Лопатка осевой лопаточной машины
Лопатка осевой лопаточной машины
Лопатка осевой лопаточной машины
Лопатка осевой лопаточной машины

 


Владельцы патента RU 2495255:

Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный институт авиационного моторостроения имени П.И. Баранова" (RU)

Изобретение относится к области лопаточных машин, в частности к конструкции композиционных лопаток осевых вентиляторов и компрессоров авиадвигателей. Лопатка лопаточной машины содержит профилированное перо, комлевую часть, а также хвостовик типа «ласточкин хвост» и выполнена из ориентированных слоев композиционного материала, соединенных между собой связующим материалом. Хвостовик изготовлен с боковыми контактными поверхностями, вогнутыми с каждой стороны в тело лопатки. Боковые контактные поверхности хвостовика выполнены криволинейными как части наружной или внутренней поверхности тора и ограничены расположенной внизу хвостовика выпуклой поверхностью в виде части поверхности тора. В верхней части боковые контактные поверхности хвостовика соединены через боковые поверхности комлевой части с профилированными поверхностями пера. Изобретение позволяет уменьшить напряженность лопатки в зоне перехода пера в хвостовик, повысить прочность лопатки и снизить сдвиговые напряжения в хвостовике лопатки. 4 ил.

 

Изобретение относится к области лопаточных машин, в частности к конструкции композиционных лопаток осевых вентиляторов и компрессоров авиадвигателей. В настоящее время решение проблемы обеспечения требуемых параметров жесткости, прочности и массы рабочих лопаток в основном достигается использованием роторов в моноблоке с лопатками. Существенными недостатками таких конструкций являются высокая стоимость изготовления, низкий процент выхода готовой продукции, практически непреодолимые технологические трудности при изготовлении крупногабаритных изделий (лопаток вентиляторов современных двигателей), низкая ремонтопригодность и трудности с доводкой лопаток при появлении на лопатках в эксплуатации нерасчетных вынужденных высокочастотных колебаний или автоколебаний типа флаттера.

Таким образом, известное направление разработок является неэкономичным. Поэтому создание конструкций отдельно выполненных рабочих лопаток, соединенных с ротором традиционными способами, остается актуальным.

Комплексное решение проблемы обеспечения требуемых параметров жесткости, прочности и массы рабочих лопаток современных турбомашин (особенно лопаток вентиляторов) достигается использованием композиционных материалов. Однако основной проблемой лопаток из слоистых композитных материалов является их низкая сдвиговая прочность. Снизить сдвиговые напряжения в зоне концентрации можно двумя решениями:

- увеличением ширины хвостовика лопатки;

- размещением хвостовика лопатки на меньшем радиусе диска ротора.

В обоих случаях появляется трудно разрешимая проблема размещения

лопаток в диске, не позволяющая спроектировать диск ротора с достаточной несущей способностью.

Известна лопасть, закрепленная в ступице вентилятора (патент РФ №2172434, F04D 29/02, 29/34). Лопасть изготовлена из композиционного материала на основе пластика с усиливающими волокнами. Основание лопасти содержит металлическое кольцо со средствами для крепления лопасти ротора к ступице. Отверстие кольца имеет площадь поперечного сечения, увеличивающуюся в направлении периферии лопатки. В отверстии кольца расположен жесткий усиливающий элемент. Причем композиционный материал заходит в кольцо, а усиливающие волокна в основании лопатки ротора проходят в отверстии кольца между усиливающим элементом и стенкой отверстия, по существу, параллельно ей. Изобретение позволяет достичь высокой эксплуатационной надежности. Однако конструкция увеличивает поперечный размер хвостовика лопатки, что не позволяет спроектировать диск ротора с достаточной несущей способностью.

Известен узел, состоящий из корневой части композитной лопатки и ротора (патент US №5573 377, Nov, 12, 1996). Узел имеет замок, содержащий корневую часть лопатки, установленную в прорези ротора. В замке между стенкой прорези и стенкой корневой части лопатки со стороны, противоположной приложению нагрузки, выполнен зазор, зависящий от заданной величины центробежной силы, действующей на лопатку при работе узла. Этот зазор позволяет контактировать стенке корневой части лопатки со стенкой прорези ротора в месте приложения нагрузки. Конструкция обеспечивает комплексное решение проблемы требуемых параметров жесткости, прочности и массы рабочих лопаток современных турбомашин (особенно лопаток вентиляторов). Однако остается нерешенной проблема низкой сдвиговой прочности лопаток из слоистых композитных материалов.

Наиболее близким аналогом, выбранным за прототип, является лопатка осевой лопаточной машины, содержащая профилированное перо, комлевую часть и хвостовик типа «ласточкин хвост» (патент US 4045149А, МПК F01D 5/30, 1977). Лопатка выполнена из ориентированных слоев композиционного материала, соединенных между собой связующим материалом. Хвостовик изготовлен с боковыми контактными поверхностями, вогнутыми с каждой стороны в тело лопатки, ограниченными выпуклой поверхностью, расположенной внизу хвостовика, а в верхней части соединенными через боковые поверхности комлевой части с профилированными поверхностями пера. Боковые контактные поверхности хвостовика выполнены криволинейно вогнутыми в тело лопатки вдоль ее продольной оси и едины с боковыми поверхностями комлевой части лопатки.

Лопатка прототипа может быть использована в лопаточных машинах больших диаметров, например в рабочих колесах осевых вентиляторов. Это позволяет уменьшить общий вес вентиляторов, но снижает надежность их длительной работы со знакопеременными нагрузками из-за образования в области перехода от комлевой части лопатки к хвостовику зоны концентрации напряжений, превышающих в несколько раз предел сдвиговой прочности композитного материала.

В основу изобретения положено решение следующих задач:

- уменьшение напряженности лопатки в зоне перехода пера в хвостовик;

- повышение прочности лопатки;

- снижение сдвиговых напряжений в хвостовике лопатки.

Необходимыми условиями выполнения поставленных задач являются повышение жесткости и прочности композиционного материала лопатки в направлениях предполагаемых нагрузок.

Поставленные задачи решаются тем, что лопатка осевой лопаточной машины содержит профилированное перо, комлевую часть и хвостовик типа «ласточкин хвост». Лопатка выполнена из ориентированных слоев композиционного материала, соединенных между собой связующим материалом. Хвостовик изготовлен с боковыми контактными поверхностями, вогнутыми с каждой стороны в тело лопатки, ограниченными выпуклой поверхностью расположенной внизу хвостовика. В верхней части контактные поверхности соединены через боковые поверхности комлевой части с профилированными поверхностями пера.

В соответствии с изобретением боковые контактные поверхности хвостовика выполнены криволинейными как части наружной или внутренней поверхности тора, а нижняя выпуклая поверхность хвостовика - в виде части поверхности тора.

Форма боковых профилированных поверхностей пера лопатки определяется аэродинамическим расчетом и отрабатывается на моделях и стендах.

Для конкретной лопаточной машины форма криволинейных поверхностей комлевой части лопатки (вогнутая, выпуклая или вогнуто-выпуклая) выявляется после задания форм поверхностей пера и контактных поверхностей хвостовика лопатки.

Существенные признаки заявленного технического решения позволяют получить следующий технический результат:

- выполнение боковых контактных поверхностей хвостовика криволинейно вогнутыми в тело лопатки как части наружной или внутренней поверхности тора (двойная криволинейность поверхностей) позволяет уменьшить напряженность лопатки в зоне перехода комлевой части в хвостовик за счет увеличения площади контактных поверхностей;

- при соединении пера с хвостовиком через комлевую часть, где боковые поверхности комлевой части и боковые контактные поверхности хвостовика выполнены едиными, обеспечивается плавный изгиб волокон композиционного материала, что повышает прочность лопатки за счет увеличения допустимых центробежных нагрузок, воздействующих на волокна;

- при ограничении боковых контактных поверхностей хвостовика внизу выпуклой поверхностью в виде части поверхности тора обеспечивается снижение сдвиговых напряжений в хвостовике за счет увеличения суммарной площади поверхностей сдвига между слоями композиционного материала хвостовика.

Таким образом, решены поставленные в изобретении задачи:

- уменьшена напряженность лопатки в зоне перехода пера в хвостовик;

- повышена прочность лопатки;

- снижены сдвиговые напряжения в хвостовике.

Настоящее изобретение поясняется подробным описанием конструкции и работы композиционной лопатки со ссылкой на фиг.1-4, где:

на фиг.1 изображен диск ротора прототипа лопаточной машины с установленной в нем лопаткой;

на фиг.2 - хвостовик заявляемой лопатки с боковыми контактными поверхностями как частями наружной или внутренней поверхностей тора и нижней выпуклой поверхностью в виде части поверхности тора в аксонометрической проекции;

на фиг.3 - схематически поперечное сечение Б-Б хвостовика заявляемой лопатки на фиг.2;

на фиг.4 - график оптимизации формы конкретной лопатки вентилятора ТРДД с заявляемым хвостовиком по критерию сдвиговой прочности, где ось абсцисс - значения радиусов кривизны контактных поверхностей хвостовика, ось ординат - значения максимальных сдвиговых напряжений в лопатке.

Лопатка 1 (см. фиг.1, 2) осевой лопаточной машины содержит профилированное перо 2, комлевую часть 3 и хвостовик 4 типа «ласточкин хвост». Лопатка 1 выполнена из ориентированных слоев композиционного материала 5 (см. фиг.3), соединенных между собой связующим материалом (не показано). Хвостовик 4 изготовлен с боковыми контактными поверхностями 6 и 7 как части наружной или внутренней поверхности тора с каждой стороны лопатки 1. Боковые поверхности 6 и 7 ограничены поверхностью 8 в виде части поверхности тора, расположенной внизу хвостовика 4, а в верхней части соединены через боковые поверхности 9 и 10 комлевой части 3 с профилированными поверхностями 11 и 12 пера 2.

Композиционный материал может быть выполнен, например, из:

- боропластика;

- углепластика на основе высокомодульных волокон;

- из полимера, армированного волокнами карбида кремния.

Для сборки лопатки 1 в матрицу пресс-формы (не показано) помещают предварительно подготовленный по форме лопатки композиционный материал 5, выполненный из ориентированных слоев, пропитанных связующим материалом. Матрицу накрывают ответным пуансоном и подвергают силовому, температурному и временному воздействию для получения готовой лопатки. Полученная композиционная лопатка 1 становится монолитной.

Использование легких, высокопрочных и волокнистых высокомодульных материалов в конструкции вентиляторов ГТД обеспечивает существенное снижение веса двигателя. Композиционный материал получает максимально высокие механические свойства в процессе придания лопатке сложной аэродинамической формы. Кроме того, композиционные лопатки имеют высокую жесткость при вращении вентилятора, повышенный срок службы, обеспечивают отказ от бандажных полок лопаток и уменьшение радиальных зазоров в лопаточных машинах.

При работе лопаточной машины, например вентилятора осевого ТРД, на лопатку воздействуют центробежные нагрузки и изгибающие газовые нагрузки, которые максимальны на взлетном режиме. Работоспособность лопатки определяется в основном центробежными нагрузками, которые передаются через контактные поверхности хвостовика на диск.

Лопатка осевой лопаточной машины, содержащая профилированное перо, комлевую часть и хвостовик типа «ласточкин хвост», выполненная из ориентированных слоев композиционного материала, соединенных между собой связующим материалом, где хвостовик изготовлен с боковыми контактными поверхностями, вогнутыми с каждой стороны в тело лопатки, ограниченными выпуклой поверхностью, расположенной внизу хвостовика, а в верхней части соединенными через боковые поверхности комлевой части с профилированными поверхностями пера, отличающаяся тем, что боковые контактные поверхности хвостовика выполнены криволинейными как части наружной или внутренней поверхности тора, а нижняя выпуклая поверхность хвостовика - в виде части поверхности тора.



 

Похожие патенты:

Ротор турбины турбореактивного двигателя содержит диск турбины с размещенными на нем рабочими лопатками и уплотнительным кольцом, установленным на ободе диска с помощью байонетного соединения.

Изобретение относится к области двигателестроения, точнее к осевым турбинам и компрессорам газотурбинных двигателей, а конкретно к способу изготовления биметаллических блисков с охлаждаемыми лопатками, в том числе высокотемпературных газотурбинных двигателей большого ресурса.

Изобретение относится к области турбомашиностроения, в частности, применимо в области компрессоростроения и может быть использовано в рабочих колесах осевых компрессоров газотурбинных двигателей.

Изобретение относится к компрессору, в частности вентилятору турбореактивного двигателя, содержащему ступицу (36) и множество лопаток, каждая из которых жестко закреплена своим основанием (16) на ступице.

Изобретение относится к устройству для аксиального удержания лопаток, установленных на роторном диске газотурбинного двигателя. .

Изобретение может быть использовано при изготовлении моноблочного лопаточного диска (блиска), преимущественно, для ротора газотурбинного двигателя. Получают лопатку с выступом, параметры которого обеспечивают присоединение к диску посредством линейной сварки трением. На лопатке выполняют припуск для удержания ее в оснастке в процессе сварки. Предварительно осуществляют моделирование геометрии припуска для выполнения условия удержания лопатки в процессе линейной сварки трением без пластических деформаций этого припуска. Опорные поверхности припуска, по которым осуществляют удержание лопатки в процессе линейной сварки трением, в направлении хорды лопатки выполняют с наклоном относительно вертикальной оси лопатки и расширением в сторону свариваемого сечения. Лопатку устанавливают с зазором в оснастку сварочной машины. Посадочные поверхности оснастки имеют такой же наклон относительно се вертикальной оси, как и опорные поверхности припуска лопатки. Фиксируют лопатку в оснастке сварочной машины в направлении ее осцилляции для осуществления линейной сварки трением. Изобретение обеспечивает высокое качество сварки за счет устранения перекосов сварочного шва, достигаемого полнотой контакта свариваемых поверхностей лопатки и диска. 3 ил.

Ротор газотурбинного двигателя содержит диск с осевыми гнездами, выполненными на ободе диска для индивидуального крепления лопаток. На одной стороне обода устанавливают кольцо. В кольце в осевом продолжении гнезд выполняют отверстия, содержащие заглушку. Заглушка состоит из первой половины из первого износостойкого материала и из второй половины из второго материала. Одна половина заглушки опирается на одну сторону кольца, а другая - на другую сторону кольца, причем половины заглушки соединены друг с другом через отверстие. Другое изобретение группы относится к турбореактивному двигателю, содержащему передний вентилятор и барабан компрессора наддува на выходе вентилятора, образующие указанный выше ротор. Кольцо неподвижно соединено с барабаном компрессора, а диск вентилятора прикреплен к барабану болтовым соединением, выполненным на кольце. Еще одно изобретение относится к заглушке для указанного выше ротора газотурбинного двигателя, содержащей первую половину из первого износостойкого материала, и вторую половину из второго материала, идентичного или отличного от первого. Изобретения позволяют обеспечить равномерный износ ножки лопатки вентилятора в месте ее контакта с ротором компрессора. 3 н. и 12 з.п. ф-лы, 6 ил.

Ротор газовой турбины включает расположенные на диске турбины охлаждаемые рабочие лопатки, каждая из которых имеет ножку лопатки, расположенную в осевом пазу для ее фиксации. Между ножкой лопатки и дном паза расположена предохранительная пластина для защиты рабочих лопаток от смещения вдоль паза, зафиксированная на диске турбины посредством отогнутых кромок. Для подвода охлаждающего средства подводящий канал впадает в дно пазов для фиксации рабочих лопаток, причем каждая из предохранительных пластин снабжена отверстиями, предназначенными для пропускания охлаждающего средства. Каждая ножка лопатки снабжена двумя проходящими азимутально относительно оси турбины пазами, а каждая из предохранительных пластин снабжена двумя шпонками, расположенными таким образом, что для уплотнения они соединяются с пазами ножки лопатки с геометрическим замыканием. Другое изобретение группы относится к газопаровой турбинной установке, снабженной указанным выше ротором турбины. Изобретение позволяет упростить конструкцию ротора турбины и снизить его вес. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

Лопатка турбины охлаждается внутренним потоком охлаждающей текучей среды, поступающей через отверстия, расположенные внизу хвостовой части лопатки. Лопатка включает в себя регулирующую пластину, снабженную отверстиями, расположенными в соответствии с отверстиями внизу хвостовой части лопатки. Регулирующая пластина выполнена из материала, имеющего коэффициент расширения, отличающийся от коэффициента расширения материала, из которого выполнена хвостовая часть лопатки. Регулирующая пластина установлена внизу хвостовой части лопатки с продольным направлением и закреплена с сохранением возможности относительного перемещения между отверстиями в регулирующей пластине и отверстиями в хвостовой части лопатки так, что сечение потока текучей среды увеличивается вместе с температурой. Изобретение направлено на уменьшение расхода охлаждающего воздуха во время полета на крейсерском режиме посредством пассивного регулирования расхода. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 3 ил.

Устройство амортизации вибраций для лопатки газовой лопаточной машины, например газотурбинного двигателя, оборудованного вентилятором, или высокооборотного винтового двигателя. Лопатка содержит ножку (6) лопатки, выполненную с возможностью захождения в гнездо (2) диска (1), на котором выполнено лопаточное колесо. Упомянутое устройство выполнено с возможностью позиционирования между ножкой лопатки и удерживающей стенкой (14а, 14b) упомянутого гнезда. Упомянутое устройство содержит, по меньшей мере, одну прокладку (7), выполненную путем соединения слоев (8, 10) из жестких материалов и слоев (9) из вязкоупругих материалов. Прокладка содержит две части, каждая из которых образует боковую ветвь (7а, 7b), выполненную с возможностью захождения вдоль одной из двух удерживающих стенок (14а, 14b). Обе боковые ветви соединены друг с другом, образуя единую деталь, при помощи третьей части, образующей дно (7с) прокладки из жесткого материала. Дно прокладки позиционируют относительно боковых ветвей (7а, 7b) таким образом, чтобы после монтажа оно оказалось на переднем или заднем конце ножки (6) лопатки. По меньшей мере, один слой (9) из вязкоупругого материала располагают между двумя слоями (8, 10) из жестких материалов. 4 н. и 5 з.п. ф-лы, 10 ил.

Рабочее колесо турбины содержит диск, устройство аксиальной фиксации и множество лопаток, включающих перо, полку и крепежный элемент. Лопатки установлены по периферии диска, причем крепежный элемент каждой лопатки смонтирован в пазу, простирающемся аксиально между поверхностями диска. По меньшей мере, одна из лопаток плотно примыкает к первому стопорному элементу диска для ее блокирования относительно диска в первом аксиальном направлении. Полка лопатки содержит аксиальный выступ, включающий второй стопорный элемент. Аксиальный выступ, второй стопорный элемент и поверхность диска образуют обращенную к оси канавку для приема устройства аксиальной фиксации. В собранном положении устройство аксиальной фиксации примыкает ко второму стопорному элементу в первом аксиальном направлении и к лицевой поверхности диска во втором аксиальном направлении, противоположном первому. Другое изобретение группы относится к турбомашине, включающей указанное выше рабочее колесо. Изобретения позволяют снизить вибрацию лопаток рабочего колеса. 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 11 ил.

Рабочее колесо турбины содержит диск и множество лопаток, установленных по его периферии. Каждая лопатка имеет полку, перо и установленный в пазу диска крепежный элемент, проходящий в направлении внутрь от полки и аксиально по всему расстоянию между боковыми поверхностями диска. Пазы диска отделены друг от друга зубьями диска. Лопатки зафиксированы аксиально на одной из боковых поверхностей диска фиксирующей пластиной, имеющей зубья на периферии. Зубья пластины давят сбоку на крепежные элементы лопаток, без контакта с боковой поверхностью диска. Фиксирующая пластина имеет такой радиальный размер, что зубья прикладывают давление только к нижним участкам крепежных элементов лопаток. Лопатки зафиксированы аксиально на другой из боковых поверхностей диска рельефными участками, радиально выступающими от зубьев диска и давящими на рельефные участки, образованные под полками лопаток в местах, находящихся позади относительно боковых поверхностей крепежных элементов лопаток, расположенных на указанной другой из боковых поверхностей диска. Другое изобретение группы относится к турбомашине, содержащей указанное выше рабочее колесо. Группа изобретений позволяет снизить габаритные размеры устройства аксиальной фиксации лопаток рабочего колеса турбины. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 6 ил.

Платформа рабочего колеса газотурбинного двигателя, включающего барабан и лопатки, основание которых удерживается в кольцевой канавке барабана, содержит два ребра жесткости с боковыми опорными поверхностями. Боковые опорные поверхности ребер жесткости выполнены с возможностью осевого удержания платформы на барабане и уменьшения рециркуляции воздуха. На каждом из кольцевых краев платформа содержит межплатформную опорную поверхность, опирающуюся на межплатформную опорную поверхность соседней платформы. Платформа занимает кольцевой сектор и содержит отверстия, разнесенные в кольцевом направлении. Каждое из отверстий выполнено с возможностью принимать основание лопатки, благодаря чему платформа образует многолопаточную платформу в виде детали, отдельной от лопаток. Группа изобретений также включает лопатку, устанавливаемую с помощью указанной выше платформы на барабан и содержащую лопасть и основание, между которыми образована платформа лопатки. Еще одно изобретение группы относится к рабочему колесу, содержащему лопатки, барабан с кольцевой канавкой для удержания основания лопаток и множество указанных выше платформ, каждая из которых удерживает множество лопаток в барабане. Другие изобретения группы относятся к компрессору и газотурбинному двигателю, содержащим указанное выше рабочее колесо. Группа изобретений позволяет упростить сборку и разборку рабочего колеса газотурбинного двигателя. 5 н. и 4 з.п. ф-лы, 14 ил.

Блокировочное устройство для лопаток, снабженных ножкой Т-образного типа, на ободе диска компрессора турбомашины содержит средство стопорения лопаток, кронштейн и средство фиксации. Обод диска содержит периферийную канавку на внешней стороне, предназначенную для установки в ней ножек лопаток, и два буртика, обрамляющие канавку. Стороны буртиков образуют опорные части удерживания лопаток. Обод диска включает вырез, выполненный в одном из буртиков, для обеспечения введения ножек лопаток в канавку. Средство стопорения перемещения лопаток выполнено с возможностью размещения в канавке между двумя следующими одна за другой лопатками и удержания при перемещении в упомянутой канавке. Средство стопорения удерживается в канавке посредством кронштейна, к которому оно присоединено при помощи средства фиксации. Кронштейн устроен таким образом, чтобы интегрироваться в вырез и опираться по окружности на одну взаимодействующую поверхность упомянутого буртика. Другие изобретения группы относятся к диску компрессора для турбомашины и вариантам компрессора турбомашины, содержащим указанное выше блокировочное устройство. Группа изобретений позволяет упростить блокировочное устройство, а также обеспечить возможность использования одинаковых лопаток на диске компрессора. 4 н. и 8 з.п. ф-лы, 7 ил.

Ротор турбины содержит некоторое число рабочих лопаток. Лопатки размещены на соответствующем турбинном диске и скомбинированы соответственно в ряды рабочих лопаток. Турбинный диск на своих боковых поверхностях имеет некоторое число уплотнительных пластин в форме участков кругового кольца. Пластины вставлены в продолжающийся в окружном направлении паз турбинного диска. Уплотнительная пластина на обращенной к оси турбины стороне имеет продолжающуюся в окружном направлении окантовку, находящуюся на расстоянии от внутренней кромки соответствующей уплотнительной пластины. Между окантовкой соответствующей уплотнительной пластины и боковой стенкой паза турбинного диска размещен запорный элемент. Окантовка продолжается по всей длине в окружном направлении уплотнительной пластины. Запорные элементы для уплотнения прилегают друг к другу в окружном направлении. Уплотнительная пластина имеет по меньшей мере одну продолжающуюся по существу в окружном направлении на обращенной к оси турбины стороне, прерывающую соответствующую окантовку выемку. Выемка геометрически выполнена таким образом, что через нее запорные элементы могут вводиться в паз турбинного диска. Также объектом изобретения является газо- и паротурбинная установка, содержащая описанный выше ротор турбины. Изобретение позволяет упростить монтаж ротора турбины. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 14 ил.
Наверх