Защитный элемент передней кромки
Изобретение относится к области лопаток лопаточных машин и, в частности, к защитному элементу (32) передней кромки лопатки (16) лопаточной машины, при этом указанный защитный элемент (32) передней кромки содержит пластинку (34) корытца и пластинку (36) спинки. Пластинка (34) корытца и пластинка (36) спинки проходят, каждая, по высоте от нижнего края (50) до верхнего края (51) и по длине от передней кромки (18) до заднего края (40, 42) и соединены друг с другом через переднюю кромку (18), при этом задний край (42) пластинки (36) спинки имеет по меньшей мере один сегмент (S1, S2), выполненный таким образом, чтобы длина пластинки (36) спинки внутри этого сегмента была меньше длины (l2, l3, l21, l22, l31, l32) пластинки (36) спинки на каждом конце этого сегмента (S1, S2). Благодаря этим признакам, распространение волн деформации через пластинку спинки в случае удара происходит таким образом, чтобы получить более быстрое и эффективное рассеяние энергии удара. Кроме того, дополнительным преимуществом этого варианта осуществления является создание препятствия для отслаивания пластинки спинки, начиная от ее верхнего края и/или ее заднего края. 5 н. и 7 з.п. ф-лы, 4 ил.
Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к защитному элементу передней кромки лопатки лопаточной машины. Под «лопаточной машиной» в этом контексте следует понимать любую машину, в которой может происходить передача энергии между потоком текучей среды и по меньшей мере одним лопаточным колесом, например, таким как компрессор, насос, турбина, воздушный винт или комбинация по меньшей мере двух из них.
Уровень техники
Такие защитные элементы передней кромки обычно предназначены для предохранения передних кромок вращающихся лопаток или направляющих лопаток от ударов. Под «лопатками» в этом контексте следует понимать как лопатки вентилятора, так и лопасти воздушного винта. Для ограничения веса этих лопаток они, как правило, в основном образованы корпусом лопатки из композиционного материала с органической матрицей, например, из полимера, усиленной волокнами. Хотя, как правило, эти материалы имеют очень хорошие механические свойства, в частности, относительно своей массы, все же они обладают некоторой чувствительностью к точечным ударам. На передних кромках таких лопаток обычно устанавливают защитные элементы, как правило, из высокопрочного металлического материала, такого как титановые сплавы, чтобы предохранить их от этих ударов. Эти защитные элементы обычно выполнены в виде тонкой пластинки корытца и тонкой пластинки спинки, соединенных более толстым участком, охватывающим переднюю кромку, при этом весь узел соответствует форме лопатки на передней кромке и смежных участков корытца и спинки. Пластинки корытца и спинки проходят по высоте и по длине на этих участках соответственно корытца и спинки лопатки и в основном служат для позиционирования и крепления защитного элемента на передней кромке, а также для распределения силы удара и для рассеяния его энергии на большей площади корпуса лопатки. Так, в случае удара по защитному элементу передней кромки волны деформации будут распространяться через этот защитный элемент, в том числе по пластинкам, пока окончательно в них не рассеются. Однако в некоторых случаях это распространение может создавать пики деформации, которые могут даже привести к частичному отслоению пластинки.
Раскрытие сущности изобретения
Задача изобретения состоит в преодолении вышеуказанных недостатков за счет создания защитного элемента передней кромки лопатки лопаточной машины, который позволяет более эффективно рассеивать энергию ударов и ограничивать потенциальные отслоения.
По меньшей мере в одном варианте осуществления эта задача решается за счет того, что в указанном защитном элементе передней кромки, который может быть выполнен из металлического материала и содержит пластинку корытца и пластинку спинки, каждая из которых проходит по высоте от нижнего края до верхнего края и по длине от передней кромки до соответствующего заднего края и которые соединены друг с другом через переднюю кромку, при этом задний край пластинки спинки имеет по меньшей мере один сегмент, выполненный таким образом, чтобы длина пластинки спинки внутри этого сегмента была меньше длины пластинки спинки на каждом конце этого сегмента.
Благодаря этим признакам, распространение волн деформации через пластинку спинки в случае удара происходит таким образом, чтобы получить более быстрое и эффективное рассеяние энергии удара. Кроме того, дополнительным преимуществом этого варианта осуществления является создание препятствия для отслаивания пластинки спинки, начиная от ее верхнего края и/или ее заднего края.
Чтобы лучше рассеивать энергию удара, указанный сегмент заднего края пластинки спинки может, в частности, находиться ближе к верхнему краю, чем к нижнему краю пластинки спинки. Кроме того, чтобы увеличить эффект рассеяния, указанный задний край пластинки спинки может иметь несколько сегментов, выполненных таким образом, чтобы длина пластинки спинки внутри каждого сегмента была меньше длины пластинки спинки на каждом конце этого сегмента.
Чтобы избегать концентрации усилий, задний край пластинки спинки может иметь тангенциальную непрерывность по всей высоте защитного элемента, при этом изменение длины пластинки спинки является постепенным и может, в частности, избегать слишком выраженной кривизны, соответствующей радиусам кривизны ниже заранее определенного минимума.
Поставленная задача решена также в лопатке, расположенной по высоте от ножки лопатки до вершины лопатки и содержащая корпус лопатки и такой защитный элемент передней кромки, соединенный с корпусом лопатки, при этом корпус лопатки выполнен из композиционного материала с органической матрицей, например, из полимера, усиленной волокнами, при этом защитный элемент передней кромки выполнен из материала с более высокой стойкостью к точечным ударам, чем композиционный материал корпуса лопатки.
В этой лопатке передняя кромка может, в частности, по меньшей мере локально иметь положительный прогиб, равный или превышающий 30°, при более высоком аэродинамическом КПД. Действительно, форма заднего края пластинки спинки позволяет рассеивать удары вблизи передней кромки лопатки, имеющей такой прогиб.
Поставленная задача решена также в лопаточной машине, содержащей множество таких лопаток, вентиляторе, содержащем множество таких лопаток, и двухконтурном турбореактивном двигателе, содержащем такой вентилятор.
Краткое описание чертежей
Изобретение и его преимущества будут более очевидны из нижеследующего подробного описания варианта осуществления, представленного в качестве неограничивающего примера. Описание ссылается на прилагаемые чертежи, на которых:
на фиг. 1 схематично показан двухконтурный турбореактивный двигатель, вид в перспективе;
на фиг. 2 схематично показана вращающаяся лопатка вентилятора турбореактивного двигателя, изображенного на фиг. 1, согласно первому варианту осуществления лопатки, вид в перспективе со стороны спинки;
на фиг. 3 показан частичный вид в разрезе лопатки, изображенной на фиг. 2, по плоскости III-III;
на фиг. 4 показана вращающаяся лопатка вентилятора турбореактивного двигателя, изображенного на фиг. 1, согласно второму варианту осуществления лопатки, схематичный вид в перспективе со стороны спинки.
Осуществление изобретения
На фиг. 1 показан двухконтурный турбореактивный двигатель 10, содержащий газогенераторную установку 12 и вентилятор 14. Этот вентилятор 14 содержит множество вращающихся лопаток 16, расположенных радиально вокруг центральной оси Х, аэродинамические профили которых выполнены таким образом, чтобы приводить воздух в движение при своем вращении. Как показано на фиг. 2 и 3, каждая лопатка 16 имеет переднюю кромку 18, заднюю кромку 20, корытце 22, спинку 24, вершину 26 лопатки и ножку 28 лопатки.
Во время нормальной работы относительный ветер по существу направлен в сторону передней кромки 18 каждой лопатки 16. Таким образом, эта передняя кромка 18 особенно подвержена действию ударов. В частности, когда лопатка 16 содержит корпус 30 из композиционного материала с полимерной матрицей, усиленной волокнами, следует предохранять переднюю кромку 18 при помощи защитного элемента 32 передней кромки, встроенного в каждую лопатку. Иначе говоря, защитный элемент 32 передней кромки соединен с корпусом 30 лопатки.
Защитный элемент 32 передней кромки выполнен из материала, обладающего более высокой стойкостью к точечным ударам, чем композиционный материал корпуса 30 лопатки. Защитный элемент 32 передней кромки в основном является металлическим и, в частности, выполнен из сплава на основе титана, например, TA6V (Ti-6Al-4V). Защитный элемент 32 передней кромки можно также выполнить из стали или из металлического сплава, обычно известного под зарегистрированным товарным знаком “Inconel”. В дальнейшем для обозначения сплава на основе железа, легированного никелем и хромом, будет использовано название Инконель.
Как показано, в частности, на фиг. 3, защитный элемент 32 передней кромки содержит пластинку 34 корытца, пластинку 36 спинки и более толстый центральный участок 38, выполненный с возможностью охватывать кромку корпуса 30 лопатки и соединяющий пластинку 34 корытца и пластинку 36 спинки с передней кромкой. Пластинки 34, 36 корытца и спинки обеспечивают позиционирование защитного элемента 32 на корпусе 30 лопатки, а также рассеяние энергии удара. Пластинки 34, 36 корытца и спинки проходят, каждая, по высоте на высоте Н от нижнего края 50 до верхнего края 51 и по длине от передней кромки 18 до соответствующего заднего края 40, 42.
Чтобы лучше рассеивать энергию волн деформации, распространяющихся через защитный элемент 32 в результате удара, задний край 42 пластинки спинки не является параллельным передней кромке 18 по всей своей длине, но имеет ближе к верхнему краю 51, чем к нижнему краю 50, например, по меньшей мере сверх 60% высоты Н защитного элемента 32 от нижнего края 50, сегмент S1, выполненный таким образом, чтобы длина l1 пластинки 36 спинки внутри этого сегмента была меньше длины l2, l3 пластинки 36 спинки на каждом конце этого сегмента 52. Длина l1 может быть меньше по меньшей мере на 10%, даже на 15% и даже на 30% каждой длины l2, l3. Это локальное уменьшение длины пластинки 36 спинки не только облегчает рассеяние энергии удара за счет усложнения распространения волн деформации на пластинке 36 спинки, но может также препятствовать распространению локального отслаивания защитного элемента 32 вдоль заднего края 42.
Хотя в этом первом варианте осуществления задний край 42 имеет только один сегмент S1, выполненный таким образом, чтобы длина l1 пластинки 36 спинки внутри этого сегмента была меньше длины l2, l3 пластинки 36 спинки на каждом конце этого сегмента S1, можно также комбинировать несколько таких последовательных сегментов, чтобы усилить их эффект. Так, во втором варианте осуществления, представленном на фиг. 4, задний край 42 пластинки 36 спинки имеет два последовательных сегмента S1, S2, выполненных таким образом, чтобы длина l11, l12 пластинки 36 спинки внутри каждого сегмента S1, S2 была меньше длины l21, l22, l31, l32 пластинки 36 спинки на каждом конце этого сегмента S1, S2. Все остальные компоненты защитного элемента 32 согласно этому второму варианту осуществления являются аналогичными компонентам первого варианта осуществления и, следовательно, имеют на чертежах такие же обозначения.
Хотя настоящее изобретение было описано для конкретного примера осуществления, разумеется, в эти примеры можно вносить различные изменения, не выходя за рамки общего объема изобретения, определенные формулой изобретения. Кроме того, отдельные признаки различных упомянутых вариантов осуществления можно комбинировать в дополнительных вариантах осуществления. Следовательно, описание и чертежи следует рассматривать скорее как иллюстративные, а не как ограничивающие.
1. Защитный элемент (32) передней кромки лопатки (16) лопаточной машины, при этом указанный защитный элемент (32) передней кромки содержит пластинку (34) корытца и пластинку (36) спинки, каждая из которых проходит по высоте от нижнего края (50) до верхнего края (51) и по длине от передней кромки до соответствующего заднего края (40, 42) и которые соединены друг с другом через переднюю кромку, при этом задний край (42) пластинки (36) спинки имеет по меньшей мере один сегмент (S1, S2), выполненный таким образом, чтобы длина (l1, l11, l12) пластинки (36) спинки внутри этого сегмента (S1, S2) была меньше длины (l2, l3, l21, l22, l31, l32) пластинки (36) спинки на каждом конце этого сегмента (S1, S2).
2. Защитный элемент (32) передней кромки по п. 1, в котором указанный сегмент (S1, S2) заднего края (42) пластинки (36) спинки находится ближе к верхнему краю (51), чем к нижнему краю (50) пластинки (36) спинки.
3. Защитный элемент (32) передней кромки по п. 1 или 2, в котором длина (l1,l11,l12) пластинки (36) спинки внутри этого сегмента (S1, S2) меньше по меньшей мере на 10% длины (l2, l3, l21, l22, l31, l32) пластинки (36) спинки на каждом конце этого сегмента (S1, S2).
4. Защитный элемент (32) передней кромки по п. 3, в котором длина (l1, l11, l12) пластинки (36) спинки внутри этого сегмента (S1, S2) меньше по меньшей мере на 15% длины (l2, l3, l21, l22, l31, l32) пластинки (36) спинки на каждом конце этого сегмента (S1, S2).
5. Защитный элемент (32) передней кромки по п. 4, в котором длина (l1, l11, l12) пластинки (36) спинки внутри этого сегмента (S1, S2) меньше по меньшей мере на 30% длины (l2, l3, l21, l22, l31, l32) пластинки (36) спинки на каждом конце этого сегмента (S1, S2).
6. Защитный элемент (32) передней кромки по любому из пп. 1–5, в котором указанный задний край (42) пластинки (36) спинки имеет несколько сегментов (S1, S2), выполненных таким образом, чтобы длина (l11, l12) пластинки (36) спинки внутри каждого сегмента (S1, S2) была меньше длины (l21, l22, l31, l32) пластинки (36) спинки на каждом конце этого сегмента (S1, S2).
7. Защитный элемент (32) передней кромки по любому из пп. 1–6, выполненный из металлического материала.
8. Лопатка (16), проходящая по высоте от ножки лопатки до вершины лопатки и содержащая корпус (30) лопатки и защитный элемент (32) передней кромки по любому из пп. 1–7, соединенный с корпусом (30) лопатки, при этом корпус (30) лопатки выполнен из композиционного материала с органической матрицей, усиленной волокнами, при этом защитный элемент (32) передней кромки выполнен из материала с более высокой стойкостью к точечным ударам, чем композиционный материал корпуса (30) лопатки.
9. Лопатка (16) по п. 8, в которой передняя кромка имеет по меньшей мере локально положительный прогиб, равный или превышающий 30°.
10. Лопаточная машина, содержащая множество лопаток (16) по любому из пп. 8 или 9.
11. Вентилятор (14), содержащий множество лопаток (16) по любому из пп. 8 или 9.
12. Двухконтурный турбореактивный двигатель (10), содержащий вентилятор (14) по п. 11.
