Композиционная лопатка турбомашины

Композиционная лопатка турбомашины

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к газотурбинным установкам, а именно к конструкциям неметаллических лопаток осевых компрессоров и вентиляторов.

При эксплуатации газотурбинных установок, особенно турбореактивных двигателей, не исключена возможность повреждения отдельных лопаток компрессора, а тем более крупногабаритных лопаток вентилятора посторонними предметами, в том числе птицами, попадающими на вход в двигатель.

При работе в таких условиях серьезными факторами, определяющими эксплуатационные характеристики, в том числе ресурс современных турбомашин, особенно роторов вентиляторов с широкохордными лопатками, являются жесткость, прочность и масса лопаток.

Размеры вентиляторов современных турбомашин 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 для нормальных рабочих условий работы достигается применением композиционных материалов (см. материалы из журнала Aviation Week, 1999, 31/V, v.150, N22, p.40-41).

Использование композиционных материалов для создания лопаток турбомашин позволяет решить проблему создания высоконапорных и высокооборотных вентиляторов для перспективных турбомашин. Однако значительными недостатками композиционных материалов является 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 входных и выходных кромок лопаток из этого материала, что при возможности попадания на вход в турбомашины посторонних предметов и птиц является весьма существенным фактором, влияющим на их целостность и работоспособность.

При изготовлении лопаток из слоистых композиционных материалов стремятся использовать материалы с повышенной толщиной монослоя. Это позволяет снизить стоимость изготовления лопаток. С другой стороны, при аэродинамическом проектировании постоянно стремятся уменьшить толщину и радиусы закругления кромок пера лопатки. Варианты ТРДД GE90, оснащенные вентиляторами со стреловидными лопатками, имеют сниженный на 1% расход топлива и обеспечивают возможность увеличения расхода воздуха, что ведет к повышению тяги двигателя примерно на 4,45 кН, (см. материалы из журнала Aviation Week, 1999, 31/V, v.150, N22, p.40-41).

Тенденция уменьшения толщины кромок приводит к тому, что в кромке и примыкающей к ней зоне пера лопатки удается разместить небольшое число слоев композиционного материала. При этом стойкость кромки от удара посторонними предметами сильно снижается.

Для повышения стойкости кромок пера лопаток турбомашин от удара посторонними предметами, особенно передних кромок, их окантовывают металлическими накладками V-образного сечения (см., например, патент Великобритании №1556181 от 13 июля 1976). Соединение металлической накладки с композиционным материалом осуществляют тем же полимерным материалом, который входит в состав композиционного материала, или специальной клеевой прослойкой. В патенте №1556181 используется также металлическая сетка, установленная под металлической накладкой по нейтральной от изгиба оси лопатки, которая с разветвлением окаймляет кромку композиционного материала. Прочность скрепления металлической накладки с пером лопатки определяется прочностью на сдвиг полимера или клея, уровень которой низок. Кроме того, слои композиционного материала в зоне металлических накладок не ориентированы так, чтобы повысить стойкость кромок удару посторонними предметами.

В сильно закрученных лопатках прямой стреловидности вентиляторов ТРДД большой двухконтурности последнего поколения передняя кромка сильно искривлена. Металлическая накладка с большим удельным весом и кривизной в случае крепления ее к перу лопатки из композиционного материала полимером или клеевым соединением под действием центробежных сил может оторваться от последнего.

Известна композиционная лопатка турбомашины (см. патент Германии №4411679 от 5 апреля 1994 г.), в которой металлические накладки на передней и задней кромках скреплены с композиционным материалом пера лопатки путем сшивки по всей высоте накладок. Здесь слои композиционного материала в зоне металлических накладок также не ориентированы для противодействия ударам по кромкам посторонними предметами. Использование конструкции с прикрепленными нитью металлическими кромками заметно повышает стоимость изготовления лопаток.

Наиболее близким аналогом, выбранным за прототип, является «Композиционная лопатка турбомашины», патент РФ №2282726 от 24 января 2005 г. Прототип относится к конструкциям лопаток из композиционных материалов для турбомашин и позволяет повысить надежность их работы при длительной эксплуатации со знакопеременными нагрузками, а также одновременно уменьшить общую массу, что особенно существенно для вентиляторов с широкохордными лопатками.

Композиционная лопатка турбомашины содержит профилированное перо и металлические накладки V-образного профиля с поперечными прорезями на окончаниях. Перо лопатки выполнено из чередующихся и ориентированных слоев композиционного материала, соединенных между собой связующим материалом. Металлические накладки расположены на входной и выходной кромках пера и имеют развитые ступенчатые окончания, заглубляемые и уходящие во внутренние слои композиционного материала пера лопатки. На заглубляемых окончаниях металлических накладок у каждой поперечной прорези выполнены отверстия с диаметром d, превышающим ширину h поперечных прорезей.

Описанная конструкция (прототип) лопатки использует превосходные свойства композиционных материалов, а металлические накладки, надежно закрепленные на кромках пера, защищают композиционный материал от эрозии и в некоторой степени от ударов при воздействии на нее посторонних предметов, попадающих на вход в турбомашину с небольшим запасом кинетической энергии. Однако такая конструкция композиционной лопатки не обладает достаточной жесткостью и прочностью для противодействия локальным ударам от посторонних предметов, попадающих на вход в турбомашину с большим запасом кинетической энергии.

В основу изобретения положено решение следующих задач:

- повысить ударную прочность входной и выходной кромок лопатки в направлении удара посторонними предметами, т.е. уменьшить возникающие при ударах повреждения лопатки;

- обеспечить равномерное распределение деформации от каждого ударного воздействия по кромкам пера, что уменьшает расслоение и разрушение несущей части композиционной лопатки;

- обеспечить возможность создания композиционной лопатки с минимально необходимой толщиной кромок и соответствующим радиусом их наружного закругления;

- обеспечить высокую ремонтопригодность композиционной лопатки после повреждения ее кромки посторонними предметами;

- обеспечить относительно низкую стоимость изготовления и ремонта композиционных лопаток.

Необходимыми условиями выполнения поставленных задач являются:

- повышение жесткости и прочности композиционного материала пера лопатки в направлениях предполагаемых ударов;

- обеспечение «размазывания» локальной ударной нагрузки на большую площадь несущей части композиционного материала;

- изменение характера деформирования передней кромки при ударе посторонними предметами;

- использование металлической части кромки малой толщины.

Изучение траекторий движения посторонних предметов на входе в вентилятор или компрессор турбомашины позволяет наметить пути для решения поставленных задач.

Поставленные задачи решаются тем, что композиционная лопатка турбомашины содержит профилированное перо и металлические накладки. Перо выполнено из чередующихся и ориентированных слоев композиционного материала, соединенных между собой связующим материалом. Металлические накладки расположены на входной и выходной кромках пера и имеют развитые ступенчатые заглубляемые окончания, уходящие во внутренние слои композиционного материала пера лопатки, а на заглубляемых окончаниях металлических накладок у каждой поперечной прорези выполнены отверстия с диаметром (d), большим ширины (h) поперечных прорезей.

В соответствии с изобретением в части внутренней полости металлической накладки, примыкающей к месту перегиба ее профиля, однонаправлено армированные слои композиционного материала расположены поперечно перу лопатки. В любом поперечном сечении лопатки армирующие волокна в этих слоях направлены вдоль средней линии профиля пера лопатки. Это особенно существенно для сильно закрученных лопаток вентиляторов ТРДД большой степени двухконтурности. Такая конструкция кромки композиционной лопатки турбомашины позволяет:

- повысить ее жесткость, что обеспечивает повышенное сопротивление внедрению посторонних предметов в кромку пера лопатки;

- обеспечить более равномерную передачу ударного воздействия на перо лопатки, предотвращая расслоение и последующее разрушение несущей части композиционной лопатки;

- повысить ее прочность, что обеспечивает повышенную стойкость лопатки удару посторонними предметами;

- обеспечить создание композиционной лопатки с толщиной передних кромок, минимально допустимых по другим критериям, и с соответствующим радиусом их наружного закругления;

- обеспечить относительно низкую стоимость ее изготовления.

Развитие и уточнение совокупности существенных признаков изобретения для частных случаев его выполнения даны далее.

Применение однонаправлено армированного композиционного материала в части внутренней полости выходной металлической накладки, примыкающей к месту перегиба ее профиля с армирующими волокнами, направленными вдоль средней линии профиля пера лопатки, позволяет повысить прочность кромки, что обеспечивает ее повышенную стойкость удару посторонними предметами в секторе охвата задней кромки пера лопатки.

Выполнение входной и выходной металлических накладок с развитыми ступенчатыми окончаниями с поперечными прорезями, заглубляемыми в слои композиционного материала и у каждой поперечной прорези имеются отверстия с диаметром (d), превышающим ширину (h) поперечных прорезей, позволяет обеспечить их надежное соединение с пером лопатки и равномерное распределение ударного воздействия на перо лопатки, что уменьшает расслоение и задерживает разрушение несущей части композиционной лопатки.

Применение однонаправлено армированного волокнами бора полимерного композиционного материала в полостях металлических накладок позволяет получить материал с модулем упругости около 200 ГПа в направлении армирования при удельном весе около 2.0 г/см³. Жесткость, сопоставимая с жесткостью сталей, при малой плотности позволяет получить облегченную жесткую и прочную кромку.

Применение однонаправлено армированного высокомодульными углеродными волокнами композиционного материала в полостях металлических накладок позволяет получить материал с модулем упругости около 180 ГПа и выше в направлении армирования при удельном весе около 1.6 г/см³. Жесткость, сопоставимая с жесткостью сталей, при малой плотности позволяет получить прочную кромку наименьшего веса.

Применение однонаправлено армированного керновыми волокнами карбида кремния полимерного композиционного материала в полостях металлических накладок позволяет получить материал с модулем упругости около 220 ГПа и выше в направлении армирования при удельном весе около 2.25 г/см³. Жесткость, превосходящая жесткость сталей, при малой плотности позволяет получить облегченную прочную кромку.

В отдельных технологических оснастках путем предварительного прессования и отверждения изготавливаются заготовки, имеющие форму кромок с треугольным поперечным сечением и состоящие из однонаправлено армированных волокнами монослоев. Заготовки из композиционного материала вкладывают в полости каждой подготовленной металлической накладки V-образного профиля. Такие составные заготовки устанавливаются в матрицу пресс-формы с частью заготовки лопатки.

Далее формируется оставшаяся часть лопатки. Матрица пресс-формы с пакетом выкроенных и уложенных в определенном порядке монослоев и с составными заготовками кромок закрывается пуансоном. По отработанному силовому, температурному и временному режиму в прессе или автоклаве формируется лопатка. После извлечения лопатки из пресс-формы у нее механически удаляют облой и подтеки смолы.

Формование композиционного материала перед установкой во внутренние полости металлических накладок в виде вкладышей треугольного профиля заданной длины, где материал выполнен слоистым поперечно перу лопатки, а его смежные слои армированы волокнами, направленными вдоль средней линии профиля пера лопатки, позволяет повысить ударную прочность входной и выходной кромок пера лопатки турбомашины из композиционного материала, окантованных металлическими накладками V-образного профиля.

Повреждения при ударе посторонними предметами в большей мере происходят в области передней кромки, не нарушая целостности лопатки. Это заметно облегчает проведение ремонтных работ. В зависимости от степени поврежденности выполняются три следующих типа ремонтных работ:

- зачистка кромки (сверхлегкий ремонт);

- замена кромки (средний ремонт);

- замена кромки с частью заготовки лопатки до развитого ступенчатого окончания V-образной металлической окантовки.

Таким образом решены поставленные в изобретении задачи:

- повышена ударная прочность входной и выходной кромок пера лопатки в направлениях ударов посторонними предметами, то есть уменьшены возникающие при ударах повреждения лопатки, что повышает ресурс ее работы;

- обеспечено равномерное распределение деформаций от каждого ударного воздействия по кромкам пера лопатки, что также уменьшает случаи расслоения и разрушения несущей части композиционной лопатки, способствуя повышению ее ремонтопригодности;

- обеспечено создание композиционной лопатки с минимально необходимой толщиной кромок и соответствующим радиусом их наружного закругления;

- обеспечена ремонтопригодность композиционной лопатки после ударных воздействий на нее посторонними предметами и невозможности дальнейшей эксплуатации;

- обеспечена относительно низкая стоимость изготовления и ремонта композиционных лопаток.

Настоящее изобретение поясняется последующим подробным описанием конструкции и работы композиционной лопатки со ссылкой на фиг.1-5,

где на фиг.1 схематично изображена заявляемая композиционная лопатка;

на фиг.2 показано сечение по А-А на фиг.1;

на фиг.3 представлен общий вид металлической накладки входной кромки пера;

на фиг.4 схематично изображен вкладыш из композиционного материала для металлической накладки передней кромки пера лопатки;

на фиг.5 схематично изображен вкладыш из композиционного материала для металлической накладки задней кромки пера лопатки.

Композиционная лопатка турбомашины, изображенная на фиг.1, содержит профилированное перо 1, выполненное из чередующихся и ориентированных монослоев композиционного материала, а также металлические накладки 2 и 3 V-образного профиля в поперечном сечении (см. сечение Б-Б фиг.3), расположенные соответственно на входной части 4 и выходной части 5 пера 1 (см. фиг.2).

В части внутренней полости входной металлической накладки 2, примыкающей к месту перегиба ее V-образного профиля, композиционный материал выполнен слоистым 6 (см. фиг.4) поперечно перу 1 лопатки с армирующими волокнами 7 между смежными слоями 6. Армирующие волокна 7 в своей зоне направлены вдоль средней линии 8 профиля пера 1 лопатки (см. фиг.2).

В части внутренней полости выходной металлической накладки 3, примыкающей к месту перегиба ее V-образного профиля, композиционный материал также может быть выполнен слоистым 9 (см. фиг.5) поперечно перу 1 лопатки с армирующими волокнами 10 между смежными слоями 9. Здесь армирующие волокна 10 в своей зоне также направлены вдоль средней линии 8 профиля пера 1 лопатки.

Металлические накладки 2 и 3 (см. фиг.2) имеют развитые заглубляемые ступенчатые окончания 11, 12 и 13, 14, уходящие во внутренние слои композиционного материала пера 1 с поперечными прорезями 15 (см. фиг.3). У каждой поперечной прорези 15 выполнены отверстия 16 с диаметром (d), большим ширины (h) поперечных прорезей 15. При наличии ступеней на окончаниях 11, 12 и 13, 14 металлических накладок 2 и 3 увеличивается площадь их соединения с композиционным материалом пера 1, что значительно повышает прочность соединения на сдвиг и отрыв.

Композиционный материал, по крайней мере, в одной из полостей металлических накладок 2 и 3 может быть выполнен из

- боропластика;

- из углепластика на основе высокомодульных волокон;

- из полимера, армированного волокнами карбида кремния.

Перед установкой в полости входной 2 и выходной 3 металлических накладок (см. фиг.2) для последующего формования лопатки композиционный материал предварительно сформован в виде вкладышей 17 (см. фиг.2, 4) и 18 (см. фиг.2, 5) треугольного профиля заданной длины.

Для сборки лопатки вкладыши 17 и 18 закладываются во внутренние полости соответственно металлических накладок 2 и 3, которые размещают в матрице пресс-формы лопатки заданного профиля и размера. В матрицу пресс-формы также помещают предварительно подготовленный по форме пера лопатки композиционный материал, выполненный из чередующихся и ориентированных слоев пропитанный связующим материалом. Матрицу накрывают ответным пуансоном и подвергают силовому, температурному и временному воздействию с целью получения готовой лопатки. Полученная композиционная лопатка становится монолитной.

При больших оборотах роторов вентилятора или компрессора и попадании на вход турбомашины посторонних предметов с большой кинетической энергией они, в первую очередь, контактируют с металлическими накладками передних кромок лопаток. Металлические накладки, опирающиеся на слоистый поперечно перу лопатки композиционный материал с армирующими волокнами между смежными слоями, направленными вдоль средней линии профиля пера лопатки, имеют повышенную жесткость и прочность в направлении удара. Это обеспечивает высокое сопротивление внедрению посторонних предметов в кромку и более равномерную передачу ударного воздействия на основное тело лопатки.

Заявляемая конструкция позволяет повысить работоспособность и прочность композиционной лопатки, увеличить ресурс и надежность работы турбомашины даже в случаях попадания на вход в турбомашину посторонних предметов с большой кинетической энергией.

1. Композиционная лопатка турбомашины, содержащая профилированное перо, выполненное из чередующихся и ориентированных слоев композиционного материала, соединенных между собой связующим материалом, и металлические накладки V-образного профиля в поперечном сечении, расположенные на входной и выходной кромках пера лопатки, отличающаяся тем, что в части внутренней полости входной металлической накладки, примыкающей к месту перегиба ее профиля, композиционный материал выполнен слоистым поперечно перу лопатки с армирующими волокнами между смежными слоями, направленными вдоль средней линии профиля пера лопатки.

2. Композиционная лопатка турбомашины по п.1, отличающаяся тем, что в части внутренней полости выходной металлической накладки, примыкающей к месту перегиба ее профиля, композиционный материал выполнен слоистым поперечно перу лопатки с армирующими волокнами между смежными слоями, направленными вдоль средней линии профиля пера лопатки.

3. Композиционная лопатка турбомашины по п.1 или 2, отличающаяся тем, что входная и выходная металлические накладки имеют развитые ступенчатые окончания с поперечными прорезями, заглубляемые в слои композиционного материала, причем на заглубляемых окончаниях металлических накладок у каждой поперечной прорези выполнены отверстия диаметром (d), большим ширины (h) поперечных прорезей.

4. Композиционная лопатка турбомашины по п.1 или 2, отличающаяся тем, что, по крайней мере, композиционный материал в полости одной из металлических накладок выполнен из боропластика.

5. Композиционная лопатка турбомашины по п.1 или 2, отличающаяся тем, что, по крайней мере, композиционный материал в полости одной из металлических накладок выполнен из углепластика на основе высокомодульных волокон.

6. Композиционная лопатка турбомашины по п.1 или 2, отличающаяся тем, что, по крайней мере, композиционный материал в полости одной из металлических накладок выполнен из полимера, армированного волокнами карбида кремния.

7. Композиционная лопатка турбомашины по п.1 или 2, отличающаяся тем, что перед установкой в полости входной и выходной металлических накладок для последующего формования лопатки композиционный материал предварительно сформован в виде вкладышей треугольного профиля заданной длины.