×
10.10.2013
216.012.739e

Результат интеллектуальной деятельности: ЛОПАТКА ОСЕВОЙ ЛОПАТОЧНОЙ МАШИНЫ

Вид РИД

Изобретение

Аннотация: 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.
Основные результаты: 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.

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.
ЛОПАТКА ОСЕВОЙ ЛОПАТОЧНОЙ МАШИНЫ
ЛОПАТКА ОСЕВОЙ ЛОПАТОЧНОЙ МАШИНЫ
ЛОПАТКА ОСЕВОЙ ЛОПАТОЧНОЙ МАШИНЫ
ЛОПАТКА ОСЕВОЙ ЛОПАТОЧНОЙ МАШИНЫ
Источник поступления информации: Роспатент

Показаны записи 101-110 из 205.
05.07.2018
№218.016.6c53

Водонагревательное устройство и способ его работы

Изобретение относится к области энергетики, а именно к водонагревательному устройству и способу его работы, и может быть использовано в аппаратах с погружным горением при нагреве воды. Водонагревательное устройство содержит бак с днищем и крышкой, вертикальную камеру сгорания, установленную в...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002659711
Дата охранного документа: 03.07.2018
09.08.2018
№218.016.7910

Способ определения тяги прямоточного воздушно-реактивного двигателя при летных испытаниях

Изобретение относится к области испытаний высокоскоростных летательных аппаратов с двигательной установкой на основе воздушно-реактивного двигателя и может быть использовано для определения тяги прямоточного воздушно-реактивного двигателя при летных испытаниях. Сущность изобретения состоит в...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002663320
Дата охранного документа: 03.08.2018
28.08.2018
№218.016.7ff8

Способ регулирования водности в имитируемом атмосферном облаке

Изобретение относится к области сертификационных испытаний авиационной техники и, в частности, к технологии имитации атмосферного облака, а также имитации перемежающейся облачности при испытаниях противообледенительных систем основных узлов летательного аппарата и его двигателя на наземных...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002664932
Дата охранного документа: 23.08.2018
28.08.2018
№218.016.8010

Двухконтурная горелка

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано для непрерывного пламенного сжигания подготовленных топливовоздушных смесей газообразного углеводородного топлива в камерах сгорания газотурбинных установок. Двухконтурная горелка для камеры сгорания газотурбинной установки...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002665009
Дата охранного документа: 24.08.2018
29.08.2018
№218.016.814f

Способ полетной диагностики узлов турбореактивного двухконтурного двигателя со смешением потоков

Изобретение относится к способу полетной диагностики узлов турбореактивного двухконтурного двигателя (ТРДД) со смешением потоков. Для диагностики узлов измеряют определенным образом рабочие параметры двигателя на стационарном полетном режиме работы двигателя, измеряют параметры окружающей...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002665142
Дата охранного документа: 28.08.2018
25.09.2018
№218.016.8b55

Фронтовое устройство камеры сгорания газотурбинного двигателя

Фронтовое устройство камеры сгорания содержит фронтовую плиту жаровой трубы и топливовоздушные модули, каждый из которых содержит пилотный и основной контуры с коаксиально расположенными внутренним, средним и наружным воздушными каналами и канал охлаждения, образованные соответствующими...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002667820
Дата охранного документа: 24.09.2018
25.09.2018
№218.016.8b62

Способ диагностики технического состояния агрегата авиационного привода

Изобретение относится к области авиации, в частности к способам контроля и диагностики технического состояния агрегатов авиационных приводов по вибрации их корпусов при работающих двигателях. Техническим результатом, достигаемым в заявленном изобретении, является повышение точности диагностики...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002667830
Дата охранного документа: 24.09.2018
26.10.2018
№218.016.9647

Асимметричный воздухозаборник для трехконтурного двигателя сверхзвукового самолета

Изобретение относится к входным устройствам высокоскоростных летательных аппаратов. Асимметричный воздухозаборник для трехконтурного двигателя сверхзвукового самолета содержит пространственный клин (1), обечайку (2), боковые стенки (3), дозвуковой диффузор (6), горло и систему управления...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002670664
Дата охранного документа: 24.10.2018
27.10.2018
№218.016.974f

Кольцевая камера сгорания газотурбинного двигателя

Изобретение относится к камерам сгорания газотурбинных двигателей, использующим жидкое топливо, предпочтительно авиационных двигателей. Кольцевая камера сгорания газотурбинного двигателя содержит жаровую трубу, фронтовое устройство, обтекатель с открытой передней центральной частью и диффузор....
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002670858
Дата охранного документа: 25.10.2018
27.10.2018
№218.016.9772

Способ определения характера касания лопатки вращающегося колеса о корпус турбомашины

Изобретение относится к области машиностроения, в частности турбостроения, и может быть использовано для доводки авиационных двигателей при стендовых испытаниях. Снабжают лопатку колеса по меньшей мере одним тензометрическим датчиком, обеспечивают регистрацию сигнала тензометрического датчика,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002670771
Дата охранного документа: 25.10.2018
Показаны записи 81-87 из 87.
20.02.2019
№219.016.c39a

Корпус камеры сгорания летательного аппарата

Изобретение относится к области ракетных или реактивных двигательных установок. Корпус камеры сгорания летательного аппарата выполнен как многослойное изделие, содержащее несущую механическую нагрузку внутреннего давления, металлическую обечайку, слой кремнеземной ткани, пропитанной...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002430306
Дата охранного документа: 27.09.2011
19.06.2019
№219.017.85f5

Устройство для испытания колец

Изобретение относится к испытательной технике и может быть использовано для экспериментального определения окружной прочности кольцевых элементов конструкций. Устройство для испытания колец содержит секторные элементы, расположенные внутри испытуемого кольца, причем оно выполнено из n секторных...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002392599
Дата охранного документа: 20.06.2010
19.06.2019
№219.017.8ab1

Роторный узел для газотурбинного двигателя

Роторный узел для газотурбинного двигателя содержит пару металлических дисков с центральным отверстием под вал ротора и множеством прецизионно обработанных сквозных отверстий под штифт, равномерно распределенных по длине двух концентрических окружностей, и лопаточный узел, размещенный между...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002439337
Дата охранного документа: 10.01.2012
24.01.2020
№220.017.f920

Способ изготовления упрочняющей накладки передней кромки лопатки вентилятора

Изобретение относится к изготовлению металлической накладки для упрочнения передней кромки лопатки вентилятора. Осуществляют изготовление двух заготовок, диффузионную сварку заготовок в пакет с внутренней полостью, крутки и пневмоформовку пакета. Внутреннюю полость пакета формируют путем...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002711697
Дата охранного документа: 21.01.2020
13.03.2020
№220.018.0b64

Способ изготовления преформы рабочей лопатки вентилятора из композиционного материала

Изобретение относится к способам изготовления деталей из композиционных материалов, а именно к способам изготовления преформ рабочих лопаток вентилятора авиационного двигателя из композиционного материала. Способ осуществляют путем того, что к основе поочередно пришивают стежками фиксирующей...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002716443
Дата охранного документа: 11.03.2020
03.06.2020
№220.018.2346

Способ нашивки объемных преформ

Изобретение относится к области технологии изготовления преформ изделий из полимерных композиционных материалов (ПКМ) - заготовок на основе армирующих волокон. Изобретение может быть использовано в базовых отраслях промышленности, таких как авиастроение, космическая отрасль, энергетика, судо- и...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002722494
Дата охранного документа: 01.06.2020
21.04.2023
№223.018.5063

Способ определения предела прочности при растяжении керамических и композиционных материалов

Изобретение относится к области технической физики, а именно к способам определения предела прочности при растяжении керамических и композиционных материалов, и может быть использовано при определении прочностных и упругих характеристик материалов. Сущность: осуществляют нагрев рабочей зоны...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002794108
Дата охранного документа: 11.04.2023
+ добавить свой РИД