RU2661439C1 - Лопатка вентилятора газотурбинного двигателя - Google Patents

Лопатка вентилятора газотурбинного двигателя Download PDF

Info

Publication number
RU2661439C1
RU2661439C1 RU2017137210A RU2017137210A RU2661439C1 RU 2661439 C1 RU2661439 C1 RU 2661439C1 RU 2017137210 A RU2017137210 A RU 2017137210A RU 2017137210 A RU2017137210 A RU 2017137210A RU 2661439 C1 RU2661439 C1 RU 2661439C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
load
power elements
bearing power
section
bearing
Prior art date
Application number
RU2017137210A
Other languages
English (en)
Inventor
Николай Борисович Болотин
Original Assignee
Николай Борисович Болотин
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Николай Борисович Болотин filed Critical Николай Борисович Болотин
Priority to RU2017137210A priority Critical patent/RU2661439C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2661439C1 publication Critical patent/RU2661439C1/ru

Links

Images

Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01DNON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12Blades
    • F01D5/26Antivibration means not restricted to blade form or construction or to blade-to-blade connections or to the use of particular materials
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01DNON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12Blades
    • F01D5/14Form or construction
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04DNON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00Details, component parts, or accessories
    • F04D29/26Rotors specially for elastic fluids
    • F04D29/32Rotors specially for elastic fluids for axial flow pumps
    • F04D29/38Blades

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)

Abstract

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к лопаткам вентилятора с демпфером для гашения вибраций, в том числе и к длинным пустотелым широкохордным лопаткам вентиляторов. Лопатка вентилятора газотурбинного двигателя содержит основание, металлическую оболочку и несущие силовые элементы, установленные в полости внутри металлической оболочки. 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. Демпфирующий материал в виде сот, заполненных пустотелыми алюмосиликатными микросферами, размещен в полости между промежуточными перегородками и концевой заглушкой и промежуточной перегородкой. 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. Технический результат: повышение ударной и вибрационной прочности. 4 з.п. ф-лы, 15 ил.

Description

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.
Вентиляторы современных авиационных газотурбинных двигателей выполняются с широкохордными титановыми рабочими лопатками без антивибрационных полок, часто имеют пустотелую конструкцию пера лопатки. Конструкционное демпфирование (в замке лопатки) и демпфирование в материале этих лопаток мало, а аэродинамическое демпфирование резко падает на нерасчетных режимах (см. Б.Ф. Шорр, Г.В. Мельникова, Н.Н. Серебряков «Разработка технологий демпфирования колебаний рабочих лопаток турбин ТВД», ТО №13496, 2009).
Поэтому для предотвращения опасных резонансных колебаний лопаток применяют специальные демпфирующие устройства. В абсолютном большинстве известных случаев это устройства конструкционного демпфирования, у которых энергия рассеивается за счет работы сил сухого (кулонова) трения между контактирующими поверхностями при их взаимном упругом проскальзывании в процессе колебаний.
Выбор этого вида демпфирования выбран потому, что его использование позволяет создавать специальные демпфирующие устройства, обеспечивающие оптимальный уровень демпфирования рабочих лопаток турбомашин при конструктивных параметрах демпфирующих устройств. Под конструктивными параметрами здесь понимаются параметры, не существенно (допустимо) ухудшающие габаритные, массовые, технологические, конструктивные характеристики рабочих колес турбомашины и при этом улучшающие эксплуатационные характеристики этих колес и турбомашины в целом. Выбор в пользу этого вида демпфирования сделан уже в самых ранних разработках этих устройств.
Известна рабочая лопатка вентилятора по А.Св. СССР №1147097, МПК F01D 29/38, опубл. 10.12.2005 г.
Рабочая лопатка вентилятора двухконтурного турбореактивного двигателя, 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.
Лопатка хорошо демпфирует вибронагрузки, но не работоспособна при больших састотах вращения, т.к. не выдерживает большие центробежные нагрузки вследствие большого веса и малого поперечного сечения оболочки.
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., прототип.
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.
Задачи создания изобретения: упрощение конструкции и 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 и несущих силовых элементов, установленных в полости внутри металлической оболочки и демпфирующий материал, отличающаяся 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 выполнен в виде сот, заполненных пустотелым алюмосиликатным наполнителем и размещен в полости между промежуточными перегородками и концевой заглушкой и промежуточной перегородкой.
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. Изменение процентного состава титана и алюминия может быть выполнено дискретно. Изменение процентного состава титана и алюминия может быть выполнено непрерывно. Сущность изобретения поясняется на фиг. 1-15, где:
- на фиг. 1 приведен общий вид лопатки,
- на фиг. 2 приведен разрез А-А на фиг. 1,
- на фиг. 3 приведен вид С, первый вариант,
- на фиг. 4 приведен вид С, второй вариант,
- на фиг. 5 приведен вид D, первый вариант,
- на фиг. 6 приведен вид D, второй вариант,
- на фиг. 7 приведен силовой каркас с несущими силовыми элементами,
- на фиг. 8 приведен демпфирующий наполнитель,
- на фиг. 9 приведена ячейка сот с полыми альмосиликатными микросферами,
- на фиг. 10 приведен разрез В-В, первый вариант,
- на фиг. 11 приведен разрез В-В, второй вариант,
- на фиг. 12 приведен элемент промежуточной перегородки, первый вариант,
- на фиг. 13 приведен элемент промежуточной перегородки, второй вариант,
- на фиг. 14 приведен элемент промежуточной перегородки, разрез Е-Е, первый вариант,
- на фиг. 15 приведен элемент промежуточной перегородки, разрез Е-Е, второй вариант.
Лопатка вентилятора (фиг. 1 и 2) состоит из металлической оболочки 1, и жестко скрепленных с ней несущих силовых элементов 2, установленных на основании 3 (замок) в полости 4 внутри металлической оболочки 1.
В полости 4 (фиг. 2) установлены промежуточные перегородки 5, в которых выполнены отверстия 6, через которые проходят несущие силовые элементы 2. Отверстия 6 могут быть выполнены круглыми или прямоугольными. Между промежуточными перегородками 5 и несущими силовыми элементами 2 установлены демпферы 7. Демпферы 7 можно изготовить из металлорезины.
В верхней части лопатки выполнена концевая заглушка 8, например, приварена к металлической оболочке 1 (не показано).
К концевой заглушке 8 жестко присоединены несущие силовые элементы 2 (фиг. 1…4).
Если несущие силовые элементы 2 выполнены металлическими, то соединение может быть выполнено сварочным швом 9 (фиг. 3), если - из композиционного материала - клеем 10 (фиг. 4)
Промежуточные перегородки 5 могут быть установлены в полости 4 без зазора между их кромками 11 и металлической оболочкой 1 (фиг. 5) или приварены сварочным швом 12.
В варианте (фиг. 5) центрирование и прижатие промежуточных перегородок 5 к металлической оболочке осуществляется центробежной силой Fцб.
Между промежуточными перегородками 5 размещен демпфирующий материал 13 в виде сот 14, заполненных алюмосиликитными микросферами 15 (фиг. 8 и 9).
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.
Основание 3 (фиг. 1) выполнено цельнометаллическим и имеет контактный торец 16 для контакта с диском (не показано), внутренние поверхности 17 (относительно газодинамического тракта) и боковые торцы 18.
Несущие силовые элементы 2 содержат внутренние торцы 19, боковые стенки 20 (фиг. 7) и наружные торцы 21.
Металлическая оболочка 1 (фиг. 1) образует корытце 22 и спинку 23 лопатки. Металлическая оболочка 1 имеет переходный участок 24 для соединения его с основанием 3. Соединение может быть выполнено, например, сварочным швом 25.
Несущие силовые элементы 2 в поперечном сечении могут иметь круглую форму (фиг. 1 и 3) или прямоугольную формы (фиг. 7).
Несущие силовые элементы 2 могут выполнены из стали или титана или композиционных материалов. Установка несущих силовых элементов 2 в промежуточные перегородки 5 если они выполнены круглого поперечного сечения показана на фиг. 3, 5 и 7. Несущие силовые элементы 2 могут быть выполнены прямоугольного поперечного сечения фиг. 4, 6 и 8.
Полость 4 между несущими силовыми несущими элементами 2 и промежуточными перегородками 5 заполнена демпфирующим материалом 13.
Силовые несущие элементы 2 могут быть смонтированы с предварительным натягом.
РАБОТА ЛОПАТКИ ВЕНТИЛЯТОРА
При работе лопатки вентилятора в составе ГТД на нее действуют центробежные силы, изгибающие нагрузки и вибрации, которые воспринимают несущие силовые элементы 2.
Демпфирующий материал 13 и демпфера 7 воспринимают вибрационные нагрузки и удары.
Выполнение демпфирующего материала 13 из сот 14 и наполнение сот 14 пустотелыми алюмосиликатными микросферами 15 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 4 внутри металлической оболочки 1 заполнена очень легким демпфирующим наполнителем 13 в виде сот 14, заполненных пустотелыми алюмосиликатными микросферами 15, которые имеют очень низкий удельный вес.
При ударе, например, попадании посторонних предметов в тракт газотурбинного двигателя металлическая оболочка 1 не сдеформируется или сдеформируется незначительно, разрушится незначительное количество пустотелых алюмосиликатных микросфер 15. Разрушенные алюмосиликатные микросферы 15 (стеклянная пыль) останется в пределах ячеек сортов 14 (фиг. 9), где они были засыпаны.
В результате даже сильный удар не нарушит балансировку ротора с лопатками. Промежуточные перегородки 5 тоже не позволят перемещаться разрушенным пустотелым алюмосиликатным микросферам 15 в пределах полости 4.
Применение изобретения позволило:
- 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.

Claims (5)

1. Лопатка вентилятора газотурбинного двигателя, состоящая из основания, металлической оболочки и несущих силовых элементов, установленных в полости внутри металлической оболочки, и демпфирующего материала, отличающаяся 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 алюмосиликатными микросферами.
2. Лопатка вентилятора газотурбинного двигателя по п. 1, отличающаяся тем, что в отверстиях промежуточных перегородок установлены демпферы.
3. Лопатка вентилятора газотурбинного двигателя по п. 1, отличающаяся тем, что несущие силовые элементы смонтированы с предварительным натягом.
4. Лопатка вентилятора газотурбинного двигателя по п. 1, отличающаяся тем, что несущие силовые элементы выполнены прямоугольного поперечного сечения.
5. Лопатка вентилятора газотурбинного двигателя по п. 1, отличающаяся тем, что несущие силовые элементы выполнены круглого поперечного сечения.
RU2017137210A 2017-10-23 2017-10-23 Лопатка вентилятора газотурбинного двигателя RU2661439C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017137210A RU2661439C1 (ru) 2017-10-23 2017-10-23 Лопатка вентилятора газотурбинного двигателя

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017137210A RU2661439C1 (ru) 2017-10-23 2017-10-23 Лопатка вентилятора газотурбинного двигателя

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2661439C1 true RU2661439C1 (ru) 2018-07-16

Family

ID=62917226

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2017137210A RU2661439C1 (ru) 2017-10-23 2017-10-23 Лопатка вентилятора газотурбинного двигателя

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2661439C1 (ru)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1147097A1 (ru) * 1983-06-17 2005-12-10 В.Д. Радченко Рабочая лопатка вентилятора двухконтурного турбореактивного двигателя
EP2844841A1 (fr) * 2012-04-30 2015-03-11 Snecma Renfort structurel metallique d'aube en composite de turbomachine
RU167905U1 (ru) * 2016-08-24 2017-01-11 Акционерное общество Энгельсское опытно-конструкторское бюро "Сигнал" им. А.И. Глухарева Емкостный датчик перепада давления
RU2626523C1 (ru) * 2016-06-08 2017-07-28 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева" Длинная пустотелая широкохордная лопатка вентилятора и способ ее изготовления

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1147097A1 (ru) * 1983-06-17 2005-12-10 В.Д. Радченко Рабочая лопатка вентилятора двухконтурного турбореактивного двигателя
EP2844841A1 (fr) * 2012-04-30 2015-03-11 Snecma Renfort structurel metallique d'aube en composite de turbomachine
RU2626523C1 (ru) * 2016-06-08 2017-07-28 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева" Длинная пустотелая широкохордная лопатка вентилятора и способ ее изготовления
RU167905U1 (ru) * 2016-08-24 2017-01-11 Акционерное общество Энгельсское опытно-конструкторское бюро "Сигнал" им. А.И. Глухарева Емкостный датчик перепада давления

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2706901C2 (ru) Лопатка осевой турбомашины, способ изготовления лопатки осевой турбомашины и турбомашина
JP7314272B2 (ja) 分散した入れ子状セルの減衰システム
JP5362252B2 (ja) ターボ機械の羽根用のダンパ
US20100143097A1 (en) Aerofoils for gas turbine engines
US20080273983A1 (en) Turbomachine blade
EP3139002B1 (en) Damper pin for turbine blades and corresponding turbine engine
CN106499445B (zh) 用于涡轮叶片的减振销
CN106499442B (zh) 用于涡轮叶片的阻尼器销
ATE540220T1 (de) Windturbinenschaufel mit einem oder mehreren schwingungsdämpfern
JP6272044B2 (ja) 動翼体のシール構造、動翼体及び回転機械
RU2667220C1 (ru) Лопатка вентилятора газотурбинного двигателя
WO2014011268A2 (en) Thin metal duct damper
RU2661439C1 (ru) Лопатка вентилятора газотурбинного двигателя
RU2675161C1 (ru) Лопатка вентилятора газотурбинного двигателя
EP3138998A1 (en) Damper pin for turbine blades and corresponding turbine engine
RU2661433C1 (ru) Лопатка вентилятора газотурбинного двигателя
RU2622682C1 (ru) Пустотелая широкохордовая лопатка вентилятора. Способ её изготовления.
RU2726955C1 (ru) Длинная пустотелая широкохордая лопатка вентилятора авиационного ТРДД и способ ее изготовления
RU2661437C1 (ru) Широкохордная лопатка вентилятора газотурбинного двигателя
US20170191366A1 (en) Slotted damper pin for a turbine blade
RU2663609C1 (ru) Широкохордная лопатка вентилятора газотурбинного двигателя
CN103089317A (zh) 一种空心风扇叶片及其制造方法
RU2663559C1 (ru) Широкохордная лопатка вентилятора газотурбинного двигателя
CN114607646A (zh) 一种用于工业风机的动力吸振器
CN103047281A (zh) 具有粘弹性结构的箔片动压气体轴承