Способ защиты корпуса лопаточных машин и устройство, реализующее способ

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к способам защиты корпуса лопаточных машин и устройствам, реализующим способ, и может быть использовано в вентиляторах и/или компрессорах газотурбинных двигателей (ГТД), в том числе в авиадвигателях для защиты от разрушения корпуса, изготовленного из материала, прочностные характеристики которого ниже прочностных характеристик материала лопаток ротора.

Обрыв лопаток лопаточных турбомашин, например лопаток вентиляторов ГТД, является одной из наиболее опасных аварий. В результате разрушения лопатка, обладающая высокой кинетической энергией, пробивает корпус и наносит повреждения находящимся вблизи элементам конструкции и системам, что может привести к катастрофе.

Наиболее опасным случаем обрыва лопаток является ее обрыв в замке или вблизи него, так как в этом случае лопатка имеет максимальную массу. Перемещаясь в окружном направлении, лопатка двигается также и в радиальном и, контактируя с корпусом, выдавливает и одновременно прорезает его. При этом в результате внедрения лопатки в корпус происходит торможение ее торцевой части, что приводит к развороту лопатки относительно первоначального положения в диске. Поскольку ротор продолжает вращаться, то следующая за оторвавшейся лопатка ротора со скоростью около 300 м/сек и кинетической энергией, многократно превышающей энергию оторвавшейся лопатки, догонит застрявшую в корпусе оторвавшуюся лопатку и через нее произведет удар по корпусу, вызывая при такой скорости нагружения хрупкое разрушение материала и образование вторичных осколков, приобретающих большую кинетическую энергию. Современные нормативно-технические документы требуют при проектировании обеспечить локализацию разрушения внутри корпуса двигателя с целью предотвращения разрушения элементов конструкции планера самолета и его систем.

Наиболее распространенными методами защиты ротора от разрушения является локализация оторвавшейся лопатки и сохранение целостности корпуса путем усиления последнего за счет наращивания толщины стенки с помощью различного рода намоток из высокопрочных волокон, композиционных лент и т.п., средствами, установленными на корпусе и выполненными в виде чехлов или камер с полостями между корпусом и чехлом с заполнением камер легкими жесткими материалами, организация экранной защиты корпуса. Эти методы приводят к утяжелению конструкции, что особенно нежелательно для авиационных ГТД.

Известен способ защиты корпуса лопаточных машин от пробиваемости при обрыве лопатки путем удержания оторвавшейся лопатки или ее фрагментов упругими элементами внутри корпуса за счет локального сопротивления, деформации и частичного разрушения упругих материалов корпуса (патент US №6814541, 2004 г.). В процессе пробивания стенки лопатка разворачивается таким образом, что удар в следующую стенку наносится плоскостью лопатки, а не ребром. Удержание лопатки и ее осколков жестким корпусом обеспечивает только частичное поглощение энергии за счет упругих свойств материалов корпуса и их частичного разрушения, при этом разрушившаяся лопатка соударяется с остальными лопатками ротора и другими элементами конструкции двигателя неопределенным образом, а основная часть энергии поглощается за счет рикошета фрагментов от стенок в проточную часть контура, что не обеспечивает надежности защиты.

В этом же документе раскрыто устройство, реализующее способ защиты. Устройство выполнено в виде многослойного корпуса, содержащего ряд последовательно расположенных относительно друг друга стенок, пространство между которыми заполнено алюминиевыми сотовыми элементами (патент US №6814541, 2004 г.). Рассеивание кинетической энергии оборвавшейся лопатки в известном техническом решении происходит за счет многослойности корпуса устройства. В результате обеспечение надежности защиты приводит к усложнению и утяжелению конструкции.

Известен способ защиты корпуса лопаточных машин, заключающийся в том, что при обрыве лопатки последнюю разворачивают в направлении вращения и разрушают внутри корпуса последующими набегающими лопатками на фрагменты с пофрагментарным поглощением кинетической энергии любого из образовавшихся фрагментов и удерживают последние внутри корпуса за счет его деформации (патент RU №2433281, 2011 г.).

Известно устройство, реализующее указанный способ, выполненное в виде установленного на корпусе чехла, содержащего защитную оболочку, охватывающую корпус по наружной поверхности с кольцевыми гофрами, и размещенные по периметру под защитной оболочкой металлические пластины, установленные с нахлестом в сторону вращения ротора (патент RU №2433281, 2011 г.). В известном техническом решении защитная оболочка выполнена из волокнистого материала, гофры выполнены из слоев высокопрочной ткани, закрепленной на корпусе жгутом, намотанным между гофрами через промежуточный слой легкодеформируемого материала. В процессе обрыва конструкция устройства обеспечивает удержание лопатки за счет образования кольцевого зазора между защитной оболочкой и корпусом и местной полости в виде «ловушки» лопатки. Недостатком известного технического решения является сложность конструкции, не обеспечивающая достаточной надежности защиты.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков к заявляемому техническому решению является способ защиты корпуса лопаточных машин, заключающийся в том, что при обрыве лопатки последнюю разворачивают в направлении вращения, удерживают лопатку внутри корпуса за счет его деформации без врезания лопатки в корпус и разрушают внутри корпуса последующими набегающими лопатками на фрагменты с пофрагментарным рассеиванием и поглощением кинетической энергии любого из образовавшихся фрагментов (патент RU №2461719, 2012 г.). В известном техническом решении кинетическая энергия оторвавшейся лопатки расходуется на трение последней о конструктивный элемент корпуса (обечайку), ее прогиб и деформацию за счет распрямления кольцевых гофр. При этом возрастают напряжения и деформации на ослабленных участках фланцевых соединений вблизи деформированной зоны обечаек корпуса, что приводит соответственно к возрастанию нагрузки на болты напротив места удара, срезу последних и дополнительной деформации корпуса.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков к заявляемому техническому решению является известное устройство, реализующее указанный способ, содержащее корпус, выполненный в виде множества попарно соединенных с помощью болтовых соединений кольцевых частей, каждая из которых включает обечайку, на фланцах которой выполнены ослабляющие проточки, с кольцевыми гофрами, расположенными на внешней поверхности обечайки (патент RU №2461719, 2012 г.). Условием непробиваемости корпуса является предварительное определение количества и размера гофр, проточек и числа болтов, которые должны определяться соответствием энергии времени деформации и обрыва болтов и времени, требуемого для пробивания корпуса.

При ударе лопаткой, следующей за оторвавшейся, энергия ротора будет передана стенке корпуса. Лопатка в данном случае работает аналогично зубилу, врезающемуся в материал под действием ударной нагрузки. Поэтому даже в случае разрушения оторвавшейся лопатки возможно образование трещин и проломов в корпусе, а также образование вторичных осколков, имеющих достаточно высокий уровень энергии.

Таким образом, общим существенным недостатком известных технических решений является недостаточная надежность защиты корпуса от пробивания, обусловленная высокой вероятностью врезания лопатки в поверхность корпуса, выполненного из менее прочного материала, чем материал лопатки.

Техническая проблема, решение которой обеспечивается при осуществлении технического решения, заключается в повышении надежности защиты корпуса, выполненного из менее прочного материала, чем материал лопаток, от пробивания при обрыве лопатки ротора.

Технический результат, достигаемый при осуществлении предлагаемого технического решения, заключается в обеспечении безусловного фрагментирования оторвавшейся лопатки путем исключения врезания лопатки в корпус. Исключение врезания лопатки в корпус обеспечивается за счет предотвращении передачи корпусу части энергии от вращающегося ротора при ударе по заторможенной оторвавшейся лопатке следующей за ней лопаткой и обеспечения ее измельчения целыми лопатками ротора.

Указанный технический результат, обеспечиваемый заявленным изобретением, достигается тем, что в способе защиты корпуса лопаточных машин при обрыве лопатки последнюю разворачивают в направлении вращения, удерживают лопатку внутри корпуса за счет его деформации без врезания лопатки в корпус и разрушают внутри корпуса последующими набегающими лопатками на фрагменты с пофрагментарным рассеиванием и поглощением кинетической энергии любого из образовавшихся фрагментов. Согласно изобретению разворот лопатки в направлении вращения осуществляют путем преобразования радиального импульса движения в окружной импульс, обеспечивая перемещение в направлении вращения ротора части корпуса, контактирующей с лопаткой при ее обрыве, причем материал для изготовления упомянутой части корпуса выбирают из условия превышения значений твердости и ударной вязкости данного материала над аналогичными значениями материала лопаток.

Технический результат, обеспечиваемый заявленным изобретением, достигается также тем, что устройство для реализации способа содержит корпус, выполненный в виде множества попарно соединенных с помощью болтовых соединений кольцевых частей, каждая из которых включает обечайку, на фланцах которой выполнены ослабляющие проточки, с кольцевыми гофрами, расположенными на внешней поверхности обечайки. Согласно изобретению на внешней поверхности каждой обечайки дополнительно выполнены кольцевые выступы, образующие равные участки поверхности на соответствующей обечайке, ширина и высота которых равна толщине обечайки, а корпус снабжен дополнительными кольцевыми вставками, размещенными на внутренней поверхности соответствующих обечаек и выполненными из материала, твердость и ударная вязкость которого выше, чем у материала лопаток, которые установлены с возможностью поворота относительно оси вращения лопаток и связаны при помощи их развальцованных торцов с соответствующими обечайками.

Указанные существенные признаки обеспечивают решение технической проблемы с достижением заявленного технического результата в части способа, так как:

- разворот лопатки в направлении вращения путем преобразования радиального импульса движения в окружной импульс с обеспечением перемещения в направлении вращения части корпуса, контактирующей с лопаткой при ее обрыве, и выбор материала для изготовления упомянутой части корпуса из условия превышения значений твердости и ударной вязкости данного материала над аналогичными значениями материала лопаток предотвращает врезание лопатки в материал корпуса и передачу части энергии ротора стенке корпуса при ударе затормозившейся лопатки следующими за ней лопатками, обеспечивая определенность и безусловность процесса фрагментирования оторвавшейся лопатки.

Указанные существенные признаки обеспечивают решение технической проблемы с достижением заявленного технического результата в части устройства для реализации способа, так как: - выполнение на внешней поверхности каждой обечайки дополнительно кольцевых выступов, образующих равные участка поверхности на соответствующей обечайке, ширина и высота которых равна толщине обечайки, снабжение корпуса дополнительными кольцевыми вставками, размещенными на внутренней поверхности соответствующих обечаек, выполнение вставок из материала, твердость и ударная вязкость которого выше, чем у материала лопаток, установка вставок с возможностью поворота относительно оси вращения лопаток и связь вставок при помощи их развальцованных торцов с соответствующими обечайками предотвращает врезание лопатки в материал корпуса, передачу части энергии ротора стенке корпуса при ударе затормозившейся лопатки следующими за ней лопатками и раскрытие трещины в случае ее образования при ударе, что также обеспечивает определенность и безусловность фрагментирования оторвавшейся лопатки.

Предложенное техническое решение поясняется следующим описанием его работы со ссылкой на иллюстрации, представленные на чертежах, где:

- на фиг. 1 изображено устройство, реализующее способ защиты корпуса лопаточных машин;

- на фиг. 2 изображены кольцевые выступы устройства (увеличено). Предлагаемое устройство для реализации способа содержит корпус,

выполненный в виде множества (по количеству ступеней рабочих лопаток ротора лопаточной машины) изготовленных из легкого сплава кольцевых частей 1, попарно соединенных между собой при помощи болтовых соединений 2 (см. фиг. 1). Каждая кольцевая часть 1 содержит соответствующую надлопаточную обечайку 3, на фланцах 4 которой выполнены ослабляющие проточки (на чертеже не показаны) и кольцевые гофры 5, расположенные на внешней поверхности обечайки 3. На наружной поверхности каждой обечайки 3 дополнительно выполнены кольцевые выступы 6 (см. фиг. 2), образующие равные участки поверхности на соответствующей обечайке 3. Для ограничения жесткости кольцевых выступов 6 и снижения за счет этого местных напряжений при ударе, высота «h» и ширина «b» последних выбирается равной толщине обечайки 3. Корпус снабжен дополнительными кольцевыми вставками 7, размещенными на внутренней поверхности соответствующих обечаек 3 по неподвижной легкопрессовой посадке. Вставки 7 выполнены из материала, твердость и ударная вязкость которого выше, чем у материала лопаток 8 ротора. При этом минимальная толщина δ_вст стенки вставки 7 определяется соотношением:

где δ_{корп.исх} - расчетная толщина стенки корпуса;

σ_в(корп) - предел прочности материала корпуса;

σ_в(вст) - предел прочности материала вставки.

Дополнительные кольцевые вставки 7 установлены с возможностью поворота относительно оси вращения лопаток 8. Для предупреждения изменения центрирования вставок 7 относительно корпуса при температурных расширениях материала кольцевых частей 1 и материала вставок 7, последние связаны при помощи их развальцованных торцов с соответствующими обечайками 3. Торцы вставок 7 развальцовывается с обеих сторон на конусной поверхности 9, выполненной на внутренней стороне соединяющих части 1 корпуса фланцах 4 болтовых соединений 2. На внутренней поверхности каждой вставки 7 размещают торцевое вырабатываемое уплотнение 10, предназначенное для сохранения разности давлений в корпусе. Между ступенями вращающихся рабочих лопаток 8 расположены неподвижные лопатки 11 спрямляющего аппарата. Рабочие лопатки 8 обращены к корпусу торцами 12.

Способ защиты корпуса осуществляется следующим образом.

При обрыве лопатки 8 последнюю разворачивают в направлении вращения, удерживают ее внутри корпуса за счет его деформации без врезания лопатки в корпус и разрушают внутри корпуса последующими набегающими лопатками на фрагменты с пофрагментарным рассеиванием и поглощением кинетической энергии любого из образовавшихся фрагментов. Разворот лопатки в направлении вращения осуществляют путем преобразования радиального импульса движения в окружной импульс, обеспечивая перемещение в направлении вращения ротора части корпуса (вставки 7), контактирующей с лопаткой при ее обрыве. При этом материал для изготовления упомянутой части корпуса (вставки 7) выбирают из условия превышения значений твердости и ударной вязкости данного материала над аналогичными значениями материала лопаток 8.

При обрыве рабочей лопатки ротора происходит следующее.

Оторвавшуюся лопатку 8 разворачивают в направлении вращения. Поскольку центр тяжести пера последней находится значительно выше ее торца 12, по которому происходит первоначальный контакт с кольцевой вставкой 7, за счет трения в месте контакта, возникает момент силы, разворачивающий перо рабочей лопатки 8 ротора относительно ее торца 12. Одновременно в момент обрыва лопатка 8 тормозится в радиальном направлении и удерживается внутри корпуса за счет деформации (распрямления) гофров 5 надлопаточной обечайки 3, разрушения одного из облегченных фланцев 4 болтового соединения 2, стягивающего соответствующие кольцевые части 1, и деформации (прогиба) стенки вставки 7. Торможение движения рабочей лопатки 8 ротора в окружном направлении происходит за счет трения торца 12 лопатки 8 по поверхности кольцевой вставки 7. Посадка дополнительной кольцевой вставки 7 в обечайке 3 корпуса дает возможность смягчить скользящий удар, поскольку действующая на поверхность вставки 7 окружная сила от взаимодействия пера рабочей лопатки 8 ротора при ударе о поверхность кольцевой вставки 7 приводит к проворачиванию последней. В результате за счет преобразования радиального импульса движения в окружной импульс происходит разворот пера рабочей лопатки 8 ротора в направлении оси ее вращения. В результате рабочая лопатка 8 ротора, обладающая большой кинетической энергией, расходует последнюю на трение по надлопаточной обечайке 3, деформацию гофров 5 обечайки 3 и разрушение облегченного фланца 4 болтового соединения 2. Одновременно в процессе обрыва она пытается внедриться в поверхность дополнительной кольцевой вставки 7. Поскольку прочность и твердость поверхности материала последней выше, чем у материала рабочей лопатки 8 ротора, внедрения не происходит. При установке дополнительной кольцевой вставки 7 для обеспечения возможности ее проворачивания, величина натяга при посадке определяется из условия обеспечения ее неподвижности под действием рабочих и инерционных нагрузок. Кроме того, при определении величины натяга учитывается рабочая температура стенки корпуса и кольцевой вставки 7, что позволяет избежать снижения величины натяга при нагреве стенки во время работы лопаточной машины. Кроме того, при развороте пера рабочей лопатки 8 ротора относительно ее торца 12 и проворачивании кольцевой вставки 7 увеличивается площадь передачи кинетической и снижается нагрузка на поверхность последней, что также предотвращает внедрение в нее пера лопатки 8. Заторможенную оторвавшуюся рабочую лопатку 8 ротора догоняет следующая за ней аналогичная лопатка и ударяет по развернувшемуся перу. Поскольку оторвавшаяся часть лопатки 8 не успевает за это время внедриться в корпус, скользящий удар набегающей лопатки приведет к выбиванию этой части оборвавшейся лопатки 8 в окружном направлении с места контакта и разрушению ее на фрагменты. Из-за отсутствия внедрения лопатки 8 в материал кольцевой вставки 7 энергия удара передается последней и секции 1 корпуса только частично, что препятствует их пробиванию и появлению вторичных осколков корпуса. Однако при ударе существует вероятность образования трещин, которые в результате действия сил от разбалансированного в результате разрушения рабочей лопатки 8 ротора могут раскрыться, что, в свою очередь, может привести к потере прочности корпуса или последующему образованию вторичных осколков от разрушения кольцевой вставки 7. Образованию раскрытых трещин в кольцевой вставке 7, через которые фрагменты рабочей лопатки 8 ротора могли бы покинуть кольцевую вставку 7, а также образованию вторичных осколков элементов корпуса при ударе препятствуют кольцевые выступы 6, выполненные на поверхности обечаек 3 секций 1 корпуса напротив торцов 12 лопаток 8.

Таким образом, предложенное техническое решение обеспечивает безусловность процесса фрагментирования оторвавшейся лопатки путем исключения врезания лопатки в корпус за счет предотвращения передачи корпусу части энергии от вращающегося ротора при ударе по заторможенной оторвавшейся лопатке следующей за ней лопаткой и обеспечения ее измельчения целыми лопатками ротора, что повышает надежность способа и устройства для его реализации от пробивания, за счет исключения вероятности врезания лопатки в поверхность корпуса, выполненного из менее прочного материала, чем материал лопатки.