композиционная лопатка турбомашины

Формула изобретения

Композиционная лопатка турбомашины, содержащая перо, выполненное из чередующихся и ориентированных слоев из композиционного материала, соединенных между собой связующим материалом, и металлическую накладку с поперечными прорезями, расположенную на входной кромке пера лопатки, отличающаяся тем, что металлическая накладка с поперечными прорезями расположена как на входной кромке пера лопатки, так и на выходной кромке пера лопатки, при этом входная и выходная металлические накладки имеют развитые ступенчатые заглубляемые окончания, уходящие во внутренние слои композиционного материала пера лопатки, и на заглубляемых окончаниях металлических накладок у каждой поперечной прорези выполнены отверстия с диаметром (d), большим ширины (h) поперечных прорезей.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области газотурбостроения, а именно к конструкциям неметаллических лопаток осевых компрессоров, в частности компрессоров газотурбинных двигателей.

Серьезными факторами, определяющими эксплуатационные характеристики, в том числе ресурс современных турбомашин, особенно роторов вентиляторов с широкохордными лопатками, являются жесткость, прочность и масса лопаток. В настоящее время типоразмеры вентиляторов современных турбомашин уже не позволяют использовать в конструкции рабочих лопаток традиционные металлические сплавы из-за их относительно высокого удельного веса. Комплексное решение проблемы обеспечения требуемых параметров жесткости, прочности и массы рабочих лопаток таких вентиляторов достигается применением композиционных материалов (см. материалы из журнала Aviation Week, 1999, 31/V, v.150, N 22, р.40-41).

Удельный вес композиционных материалов в 1,5-3 раза ниже удельного веса титановых сплавов, используемых в настоящее время для изготовления лопаток компрессоров. Также, в сравнении с традиционными материалами, композиционные материалы благодаря своему наполнителю обладают уникальными механическими характеристиками. Применение композиционных материалов для создания лопаток турбомашин позволяет решить проблему создания высоконапорного и высокооборотного вентилятора для перспективных турбомашин. Но, как правило, существенными недостатками композиционных материалов являются их низкая сдвиговая прочность и эрозионная стойкость, обусловленные низкими механическими характеристиками связующего материала, входящего в его состав. Низкая сдвиговая прочность, в свою очередь, обуславливает низкую ударную прочность этого материала.

Создание работоспособной конструкции лопатки современного вентилятора турбомашины из полимерных композиционных материалов, максимально используя достоинства и максимально нивелируя их недостатки, по-прежнему остается актуальной задачей.

Наиболее близким техническим решением, выбранным за прототип, является "Композиционная лопатка турбомашины", патент РФ № 1313055 от 09.01.1984 г. Прототип относится к области газотурбостроения, в частности к конструкциям лопаток из композиционных материалов для турбомашин, и позволяет повысить надежность работы вентиляторов при его длительной эксплуатации со знакопеременными нагрузками и одновременно уменьшить общий вес вентиляторов. Перо лопасти вентилятора турбомашины выполнено из композиционного материала и на входной части пера, по всей ее стороне, имеет металлическую накладку с поперечными прорезями, наклоненными к продольной оси пера, а расстояние между их осями равно длине прорезей. Описанная конструкция (прототип) лопатки использует превосходные качества композиционных материалов, а металлическая накладка на входной части пера защищает композиционный материал пера от эрозии и повышает ударную прочность всей конструкции в целом при воздействии на нее посторонних предметов.

Основным недостатком данного технического решения является то, что соединение металлической накладки с пером осуществляется по ее внутренней поверхности связующим композиционного материала пера, прочность которого очень мала из-за плохой адгезии металла и связующего материала. Такое соединение металлической накладки с композиционным пером недостаточно для создания работоспособной конструкции, особенно при возможном ударном воздействии на максимально нагруженных режимах работы турбомашины. В случае зарождения трещины в соединении металлической накладки и пера произойдет неминуемый быстрый отрыв первого от второго соответственно.

Задачей заявляемого технического решения является создание облегченной конструкции лопатки ротора осевого компрессора с требуемой жесткостью и необходимой прочностью для всех основных режимов эксплуатации, а также адаптированной к нерасчетным внешним ее нагрузкам.

Технический результат достигается тем, что металлическая накладка с поперечными прорезями расположена как на входной кромке пера лопатки турбомашины, выполненной из чередующихся и ориентированных слоев композиционного материал и соединенных между собой связующим материалом, так и на ее выходной кромке, при этом металлические накладки, расположенные на входной и выходной кромках пера лопатки, имеют развитые, ступенчатые заглубляемые окончания, уходящие во внутренние слои композиционного материала пера лопатки, при этом на заглубляемых ступенчатых окончаниях металлической накладки у каждой поперечной прорези выполнены отверстия диаметром (d), большим ширины (h) поперечных прорезей. Причем поперечные прорези, выполненные на металлических накладках, имеют различные геометрические формы, размеры и количество.

На фиг.1 схематично изображена заявляемая композиционная лопатка турбомашины.

На фиг.2 показано сечение по А-А фиг.1.

На фиг.3 представлен общий вид металлических накладок.

Композиционная лопатка турбомашины, изображенная на фиг.1 - фиг.3, содержит перо 1, выполненное из чередующихся и ориентированных слоев композиционного материала, соединенных между собой связующим материалом (не показан), металлические накладки 4, установленные на входной части 2 и выходной части 3 пера 1. Металлические накладки 4 имеют развитые заглубляемые ступенчатые окончания 5, уходящие во внутренние слои композиционного материала пера 1, и поперечные прорези 6, а на заглубляемых окончаниях 5, у каждой поперечной прорези 6, выполнены отверстия 7 диаметром (d), большим ширины (h) поперечных прорезей 6. Благодаря наличию ступени на окончании 5 металлической накладки 4 значительно увеличивается площадь ее соединения с композиционным пером 1.

Благодаря развитой площади соединения металлических накладок 4 и композиционного пера 1 значительно повышается и его прочность, как на сдвиг, так и на отрыв. Площадь и глубина заложения ступенчатых окончаний 5 с отверстиями 7 металлических накладок 4 может регулироваться их длиной.

Работа заявляемой композиционной лопатки турбомашины осуществляется следующим образом.

Основным конструктивным элементом, повышающим надежность соединения, является наличие на ступенчатых окончаниях 5 металлических накладок 4 отверстий 7, выполненных диаметром (d) большим, чем ширина (h) поперечных прорезей 6. Это позволяет композиционному материалу пера 1 проходить через отверстия 7 диаметром (d) насквозь, образуя тем самым дополнительную связь металлических накладок 4 с композиционным материалом пера через отверстия 7, которая в паре с отверстиями 7 работает как кольцевой замок. Поскольку адгезия композиционного материала с самим собой достаточно высока, то получается надежное соединение. Даже в случае полного отслоения металлических накладок 4 от композиционного пера 1 лопатки при воздействии на нее больших ударных нагрузок на нерасчетных режимах лопатка останется работоспособной, т.к. металлические накладки 4 будут удерживаться образованной дополнительной связью внутри пера 1 и имеют гораздо большую прочность, чем прочность адгезионного соединения.

Формы, размеры и количество прорезей 6, выполненных на металлических накладках 4 с заглубляемыми ступенчатыми окончаниями 5, а также диаметр отверстий, выполненных на этих заглубляемых окончаниях 5, устанавливают расчетно-экспериментальным путем на стадии проектирования лопатки турбомашины.

Заявляемая композиционная лопатка турбомашины позволяет повысить работоспособность, прочность, увеличить ресурс и надежность ее работы. Даже в случае полного отрыва металлических накладок от композиционного материала пера лопатки металлические накладки будут удержаны за счет дополнительной связи, работающей как кольцевые замками, обеспечивая тем самым работоспособность и увеличение ресурса ее работы. Отрыв металлических накладок от композиционного пера возможен только при сильном ударном воздействии на лопатку, которое приведет к разрушению самого композиционного пера лопатки по всей его высоте. На практике же, из-за большой длины лопаток современных и перспективных осевых компрессоров, разрушение композиционного материала пера лопатки по всей их длине практически не возможно. Поэтому заявляемая лопатка обеспечивает также повышение надежности ее работы.