Расчет турбореактивного двигателя р-95Ш

Формула изобретения

1. Полая лопатка вентилятора, содержащая аэродинамически профилированную герметичную оболочку и конструктивные элементы, размещенные внутри оболочки, выполненные в виде ребер, создающих, по меньшей мере, две сообщающиеся ячейки, содержащих газообразную среду с избыточным давлением внутри ячеек в качестве конструктивного элемента для придания жесткости и отстройки по резонансным частотам от пластинчатых форм колебаний оболочечных участков внешних листов лопатки.2. Полая лопатка вентилятора по п.1, отличающаяся тем, что, по меньшей мере, одна ячейка полости оболочки выполнена герметичной.

4.2 Патент №2(2184878). Рабочая лопатка осевого компрессора

Описание

Изобретение относится к конструированию и доводке турбомашины, а именно рабочих лопаточных венцов компрессоров, и способствует устранению вибрации, приводящей к поломкам рабочих лопаток лопаточного венца. Рабочая лопатка осевого компрессора содержит локальное утолщение на пере, которое размещено на выходной кромке у торца пера. Локальное утолщение предотвращает возникновение автоколебаний без изменения оптимальной геометрии лопатки и без бандажирования, загромождающего проходное сечение компрессора и ухудшающего его КПД. Объем и масса локального утолщения выбирают расчетным или экспериментальным путем для отстройки от изгибно-крутильной связности частот форм колебаний. 2 ил.

Изобретение относится к конструированию и доводке турбомашин, а именно рабочих лопаточных венцов компрессоров, и способствует устранению вибрации рабочих лопаток.

Известна рабочая лопатка многоступенчатого осевого компрессора [1].

Для каждого компрессора необходим набор рабочих лопаток со своей оптимальной расчетной хордой, кривизной, профилем, длиной пера в зависимости от ступени.

Для того чтобы избежать изгибно-крутильных автоколебаний, к которым склонны лопатки в этом наборе, на практике полностью меняют геометрию лопатки и она становится неоптимальной для данной ступени. Это приводит к уменьшению КПД, перераспределению напорности по ступеням и уменьшению запасов устойчивости.

Известна конструкция лопатки компрессора, где лопатка, содержащая локальное утолщение на пере [2] и локальное утолщение, представляет собой проволочный бандаж.

Недостатком данного конструкторского решения является то, что, во-первых, проволока для бандажирования не имеет хорошего обтекания и это приводит к дополнительным потерям КПД, вызванным загромождением сечения ступени, во-вторых, проволочный бандаж, имея подвижные соединения, сокращает ресурс работы лопаток и самого бандажа.

Наиболее близким техническим решением того же назначения является компрессорная лопатка, содержащая локальное утолщение на своем пере, где локальное утолщение представляет собой бандажную полку [3].

Недостатком данного технического решения является то, что бандажирование лопаточного венца загромождает проходное сечение, ухудшая КПД компрессора, что является особенно нежелательным на средних и последних ступенях компрессора. Кроме того, изготовление бандажированных лопаток уменьшает коэффициент использования материала, увеличивая их стоимость.

Задача изобретения - предотвратить автоколебания лопаточного венца, вызванного изгибно-крутильной связностью первой крутильной и второй изгибной форм колебаний, не загромождая проходное сечение и не изменяя геометрию лопаток, сделав это возможным уже на стадии проектирования с помощью стандартных расчетов.

Указанная задача достигается тем, что имеется рабочая лопатка осевого компрессора, содержащая локальное утолщение на своем пере и утолщение размещено на выходной кромке у торца пера.

Новым является то, что локальное утолщение размещено на выходной кромке у торца пера.

Этим мы освобождаем проточную часть ступени компрессора от загромождения бандажными полками и т.к. локальное утолщение находится на периферии лопаток в зоне срывного обтекания, то КПД ступени не изменяется.

При этом, снабдив рабочую лопатку осевого компрессора локальным утолщением на выходной кромке у торца пера, мы изменяем соотношение частот форм колебаний лопаток, т.к. вторая изгибная форма колебаний не зависит от добавления массы на периферии пера, и крутильная форма колебания уменьшается по частоте. В результате крутильная форма колебаний становится ниже по частоте второй изгибной формы, и во время работы компрессора происходит их раздвижка, т.е. более высокая по частоте изгибная форма колебаний лопатки с ростом частоты вращения ротора увеличивается и удаляется от крутильной формы, не зависящей от частоты вращения ротора.

Таким образом, мы отстраиваем лопаточный венец от одного из видов автоколебаний, приводящих к поломкам лопаток, не изменив геометрию лопаток и не загромождая проходное сечение ступени компрессора.

На рисунке 4.5 показана рабочая лопатка осевого компрессора, вид сбоку, на рисунке 4.6 показана рабочая лопатка осевого компрессора, вид сверху.

Рабочая лопатка осевого компрессора, содержащая локальное утолщение 1 на своем пере 2, размещенное на его выходной кромке 3 у свободного торца 4.

Рисунок 4.5 - Рабочая лопатка осевого компрессора (вид сбоку)

Рисунок 4.6 - Рабочая лопатка осевого компрессора (вид сверху)

Устройство работает следующим образом: в поле центробежных сил благодаря локальному утолщению 1 на выходной кромке 3 у торца пера 4 мы избавляемся от изгибно-крутильной связности частот форм колебаний лопатки, происходит их раздвижка, в поле центробежных сил крутильная форма колебаний становится ниже второй изгибной формы.

Предлагаемое техническое решение представляет собой рабочую лопатку осевого компрессора с размещенным на выходной кромке у торца пера обтекаемым локальным утолщением в виде капли, массу и объем которой выбирают расчетным или экспериментальным путем из критериев того, чтобы соотношение крутильной формы колебаний и второй изгибной формы колебаний было таким, что частота первой крутильной формы колебаний была ниже, чем частота второй изгибной формы колебаний.

Из описания изобретения видно, что элемент, необходимый для реализации устройства, применяется в промышленности, что позволяет сделать вывод о промышленной применимости изобретения.

Формула изобретения

Рабочая лопатка осевого компрессора, содержащая локальное утолщение на своем пере, отличающаяся тем, что утолщение размещено на выходной кромке у торца пера.

4.3 Патент №3 (2381388). Рабочая лопатка вентилятора или компрессора

Описание

Изобретение относится к области газотурбинного двигателестроения и может быть использовано в первых ступенях осевых вентиляторов и компрессоров. Техническим результатом, на достижение которого направлено изобретение, является изменение характера колебаний рабочих лопаток, которое приводит к снижению уровня динамических напряжений в них и увеличению аэродинамического демпфирования без ухудшения аэродинамических и акустических характеристик рабочего колеса. Технический результат достигается в рабочей лопатке вентилятора или компрессора газотурбинного двигателя, перо которой имеет входную кромку с углом наклона ее образующей к радиальной оси, изменяющимся по высоте лопатки от ее втулочного сечения до периферийного, входная кромка разделена на три области: привтулочную, среднюю и периферийную, при этом в средней области образующая наклонена по потоку, а в части привтулочной области, прилегающей к средней, - против потока, причем в остальной части привтулочной области образующая входной кромки наклонена по потоку. 7 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к области газотурбинного двигателестроения и может быть использовано в первых ступенях осевых вентиляторов и компрессоров.

Известна рабочая лопатка вентилятора или компрессора газотурбинного двигателя (патент US 6071077, МПК F04D 29/34, опубл. 2000.06.06), перо которой имеет входную кромку с углом наклона образующей к радиальной оси, изменяющимся по высоте лопатки от ее втулочного сечения до периферийного. Входная кромка разделена на три области: привтулочную, среднюю и периферийную. В привтулочной и периферийной областях образующая входной кромки наклонена против потока, а в средней области - по потоку. Использование лопаток, имеющих описанную форму входной кромки, способствует снижению волновых потерь при торможении сверхзвукового потока, а также увеличению сопротивляемости к попаданию посторонних предметов.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является лопатка вентилятора или компрессора, описанная в патенте US 2004/0170502 A1, MПK F03B 3/12, опубл. 2004.02.09. Такая лопатка имеет входную кромку пера с углом наклона ее образующей к радиальной оси, изменяющимся по высоте лопатки от ее втулочного сечения до периферийного. Входная кромка разделена на три области: привтулочную, среднюю и периферийную, при этом в привтулочной области образующая входной кромки наклонена против потока, а в средней и периферийной областях - по потоку. Благодаря такой форме входных кромок совместно с высоким расположением границы между средней и привтулочной областью (от 40% до 75% радиальной высоты входной кромки пера лопатки между ее втулочным сечением и периферией) улучшается распределение скоростей в межлопаточных каналах, в результате чего увеличивается производительность и снижаются потери при торможении натекающего потока в периферийной области рабочего колеса на высоких частотах вращения, снижается уровень шума.

Недостатком обоих технических решений является то, что при такой форме входной кромки рабочая лопатка имеет неблагоприятный характер колебаний и пониженную степень аэродинамического демпфирования. Это влечет за собой снижение запасов устойчивости к флаттеру и возникновение областей лопатки с высоким уровнем динамических напряжений от возбуждающих гармоник, которые обусловлены неравномерностью потока воздуха на входе, особенно в условиях бокового ветра. Такие лопатки используются в рабочих колесах первых ступеней современных вентиляторов и компрессоров, к которым предъявляются высокие требования по газодинамическому и акустическому совершенству. Для снижения уровня генерируемого шума в этих лопаточных машинах максимально уменьшают величину окружной скорости вращения рабочих лопаток, при этом должна обеспечиваться высокая (потребная) степень повышения полного давления, что приводит к увеличению аэродинамической нагруженности его лопаток, то есть увеличивается их изгиб. Это, в свою очередь, способствует увеличению доли кручения при колебаниях (связанных изгибно-крутильных), что является фактором, снижающим запасы устойчивости к флаттеру. Кроме того, такие лопатки в целях снижения аэродинамических потерь выполняются без бандажных полок, что также негативно сказывается на запасах устойчивости к флаттеру. С увеличением аэродинамической нагруженности рабочего колеса усугубляются нестационарные процессы, возрастают пульсации давления, что создает трудности с обеспечением прочности лопаток.

Техническим результатом, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, является изменение характера колебаний рабочих лопаток, которое приводит к снижению уровня динамических напряжений в них и увеличению аэродинамического демпфирования без ухудшения аэродинамических и акустических характеристик рабочего колеса. Это способствует улучшению прочностных характеристик и обеспечению потребных запасов устойчивости к флаттеру лопаток высокоэффективного рабочего колеса осевого вентилятора или компрессора газотурбинного двигателя.

Технический результат достигается тем, что у рабочей лопатки вентилятора или компрессора газотурбинного двигателя перо имеет входную кромку с углом наклона ее образующей к радиальной оси, изменяющимся по высоте лопатки от ее втулочного сечения до периферийного. Входная кромка разделена на три области: привтулочную, среднюю и периферийную. В средней области образующая наклонена по потоку, а в части привтулочной области, прилегающей к средней, - против потока.

Новым в изобретении является то, что в остальной части привтулочной области образующая входной кромки наклонена по потоку.

В периферийной области лопатки образующая входной кромки может быть наклонена по потоку или против потока под углом из диапазона 0-50°.

В оптимальном варианте выполнения лопатки граница между привтулочной и средней областью должна быть расположена на высоте, составляющей 0,4-0,75 от общей высоты входной кромки пера лопатки между ее втулочным сечением и периферией, а часть привтулочной области с образующей, наклоненной по потоку, - составлять 0,1-0,8 от общей высоты привтулочной области, при этом углы наклона образующей входной кромки по потоку и против потока в привтулочной области и в средней области лежат в диапазоне 0-20°.

На прилагаемом чертеже изображена предлагаемая рабочая лопатка вентилятора или компрессора.

Рабочая лопатка вентилятора или компрессора газотурбинного двигателя (рисунок 4.7) содержит перо 1, имеющее входную кромку с углом наклона ее образующей 2 к радиальной оси 3 лопатки, изменяющимся вдоль этой оси. Входная кромка разделена на три области: периферийную 4, среднюю 5 и привтулочную, состоящую из части 6, прилегающей к средней области 5, и остальной части 7, прилегающей к втулочному сечению 8.

В части 6 привтулочной области образующая 2 наклонена против потока под углом к радиальной оси 3, а в части 7 привтулочной области - по потоку под углом к радиальной оси 3. В средней области 5 образующая 2 входной кромки наклонена по потоку под углом к радиальной оси 3, и углы, лежат в диапазоне 0-20°. В периферийной области 4 образующая 2 входной кромки может быть наклонена как по потоку, так и против потока под углом из диапазона 0-50°.

Граница между частью 6 привтулочной области и средней областью 5 расположена на высоте, составляющей 0,4-0,75 от общей высоты входной кромки 2 пера лопатки 1 между ее втулочным сечением 8 и периферией 9, а часть 7 привтулочной области с образующей, наклоненной по потоку, - составляет 0,1-0,8 от общей высоты привтулочной области.

При работе осевого вентилятора или компрессора ГТД под воздействием вынужденных колебаний или флаттера вибронапряжения в рабочих лопатках 1 могут достигать критической величины, что приводит к их разрушению. Использование в предлагаемом изобретении входной кромки 2 саблевидной рабочей лопатки 1 с наклоном ее образующей к радиальной оси 3 в привтулочной области 7, от втулочного сечения лопатки 8 направленным по потоку, приводит к такому изменению характера колебаний лопатки 1, что снижается крутильная составляющая связанных изгибно-крутильных колебаний лопатки 1 и увеличивается ее аэродинамическое демпфирование. За счет этого увеличиваются запасы к флаттеру лопаток 1 рабочего колеса. Кроме того, возбуждение лопаток 1 происходит на более низких режимах и при меньших значениях возбуждающей силы, что приводит к снижению динамических напряжений, то есть улучшению прочностных характеристик рабочей лопатки 1. При этом благодаря тому, что форма входной кромки изменяется только в части привтулочной области 7 лопатки 1, благоприятное распределение скоростей в межлопаточных каналах рабочего колеса сохраняется и, таким образом, аэродинамические и акустические характеристики рабочего колеса не ухудшаются.

Описанная форма входной кромки получена в процессе проектирования рабочих лопаток вентиляторов газотурбинных двигателей при ее прочностной оптимизации, а достижение технического результата подтверждено многочисленными расчетными данными и результатами испытаний.

Формула изобретения

1. Рабочая лопатка вентилятора или компрессора газотурбинного двигателя, перо которой имеет входную кромку с углом наклона ее образующей к радиальной оси, изменяющимся по высоте лопатки от ее втулочного сечения до периферийного, входная кромка разделена на три области: привтулочную, среднюю и периферийную, при этом в средней области образующая наклонена по потоку, а в части привтулочной области, прилегающей к средней, - против потока, отличающаяся тем, что в остальной части привтулочной области образующая входной кромки наклонена по потоку.

2. Рабочая лопатка вентилятора или компрессора газотурбинного двигателя по п.1, отличающаяся тем, что в периферийной области образующая входной кромки наклонена по потоку или против потока под углом 0-50°.

3. Рабочая лопатка вентилятора или компрессора газотурбинного двигателя по п.1 или 2, отличающаяся тем, что граница между привтулочной и средней областью расположена на высоте, составляющей 0,4-0,75 от общей высоты лопатки, а часть привтулочной области с образующей, наклоненной против потока, составляет 0,1-0,8 от общей высоты привтулочной области.

4. Рабочая лопатка вентилятора или компрессора газотурбинного двигателя по п.1 или 2, отличающаяся тем, что углы наклона образующей входной кромки по потоку и против потока в привтулочной области лежат в диапазоне 0-20°.

5. Рабочая лопатка вентилятора или компрессора газотурбинного двигателя по п.3, отличающаяся тем, что угол наклона по потоку и против потока образующей входной кромки в привтулочной области лежит в диапазоне 0-20°.

6. Рабочая лопатка вентилятора или компрессора газотурбинного двигателя по п.1, или 2, или 5, отличающаяся тем, что угол наклона образующей входной кромки в средней области лежит в диапазоне 0-20°.

7. Рабочая лопатка вентилятора или компрессора газотурбинного двигателя по п.3, отличающаяся тем, что угол наклона образующей входной кромки в средней области лежит в диапазоне 0-20°.

8. Рабочая лопатка вентилятора или компрессора газотурбинного двигателя по п.4, отличающаяся тем, что угол наклона образующей входной кромки в средней области лежит в диапазоне 0-20°.

Рисунок 4.7 - Рабочая лопатка вентилятора или компрессора ГТД

4.4 Обоснование выбора изменения конструкции элементов ГТД на основании патентного исследования

1. Полая лопатка вентилятора

Изобретение относится к двигателестроению, а более точно касается конструкции рабочей лопатки вентилятора, преимущественно, газотурбинного двигателя летательного аппарата, и обеспечивает при своем использовании увеличение жесткости и отстройку частот при пластинчатых формах колебаний оболочечных участков полой лопатки от внешних источников возбуждения за счет наддува газа в полость лопатки.

Отстройка от резонансов по пластинчатым формам колебаний путем создания избыточного давления внутри оболочки лопатки обеспечивает меньшую массу лопатки за счет отказа установки для такой отстройки дополнительных конструктивных элементов жесткости (ребер жесткости и т.п.). Отсутствие избыточного давления внутри оболочки может являться диагностическим признаком появления дефекта в лопатке в процессе эксплуатации. При наличии давления внутри профилированной оболочки лопатка будет иметь определенный набор частот колебаний, характерных для ее конструкции и величины внутреннего давления. Изменение частотного диапазона будет свидетельствовать о падении давления из-за появления сквозного дефекта в профиле, способного по мере его роста привести к разрушению лопатки в эксплуатации.

Недостатком этого изобретения является сокращение ресурса работы лопатки и двигателя в целом из-за усталостной деформации из-за создания постоянного избыточного давления внутри полости лопатки, повышенная чувствительность лопатки к попаданию посторонних предметов в проточную часть, а также технологические сложности при исполнении герметичной полости внутри лопатки.

2. Рабочая лопатка осевого компрессора

Изобретение относится к конструированию и доводке турбомашины, а именно рабочих лопаточных венцов компрессоров, и способствует устранению вибрации, приводящей к поломкам рабочих лопаток лопаточного венца.

Указанная задача достигается тем, что имеется рабочая лопатка осевого компрессора, содержащая локальное утолщение на своем пере и утолщение размещено на выходной кромке у торца пера.

Новым является то, что локальное утолщение размещено на выходной кромке у торца пера.

Этим мы освобождаем проточную часть ступени компрессора от загромождения бандажными полками и т.к. локальное утолщение находится на периферии лопаток в зоне срывного обтекания, то КПД ступени не изменяется.

Из описания изобретения видно, что элемент, необходимый для реализации устройства, применяется в промышленности, что позволяет сделать вывод о промышленной применимости изобретения.

Недостатком данного изобретения является увеличение массы лопатки, что в пересчете на весь компрессор приведет к существенному увеличению массы всего компрессора.

3. Рабочая лопатка компрессора или вентилятора

Изобретение относится к области газотурбинного двигателестроения и может быть использовано в первых ступенях осевых вентиляторов и компрессоров. Техническим результатом, на достижение которого направлено изобретение, является изменение характера колебаний рабочих лопаток, которое приводит к снижению уровня динамических напряжений в них и увеличению аэродинамического демпфирования без ухудшения аэродинамических и акустических характеристик рабочего колеса. Технический результат достигается в рабочей лопатке вентилятора или компрессора газотурбинного двигателя, перо которой имеет входную кромку с углом наклона ее образующей к радиальной оси, изменяющимся по высоте лопатке.

Использование лопаток, имеющих описанную форму входной кромки, способствует снижению волновых потерь при торможении сверхзвукового потока, а также увеличению сопротивляемости к попаданию посторонних предметов.

Недостатком изобретения является сложность технологического исполнения, т.к. требуется высокая точность соблюдения углов входной кромки, для изготовления лопатки с заданными требованиями.

Из предложенных выше патентных исследований наиболее оптимальным является патент № 2381388 «Рабочая лопатка вентилятора или компрессора», т.к кроме сложности исполнения эта лопатка не обладает другими недостатками. В сравнении с другими изобретениями данная лопатка не требует дополнительных конструктивных элементов и не ведет к увеличению массы двигателя, что в современном двигателестроении является главной проблемой, а также это нововведение не влияет на КПД компрессора.

Список использованной литературы

1. Скубачевский Г.С. Авиационные ГТУ. Конструкция и расчет деталей. М.: Машиностроение, 1981, 550с.

2. Вьюнов С.А.. Конструкция и проектирование авиационных газотурбинных двигателей. М.: Машиностроение,.1989г, 368с.

3. Харитонов В.Ф. Материалы авиационных агрегатов. Методическое указание к курсовому и дипломному проектированию. Уфа изд. УАИ 1980г.

4. Ресурсы Интернета.

5. Патент №1, (2382911), F04D29/38. Потапов Сергей Давидович. Полая лопатка вентилятора. Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный институт авиационного моторостроения имени П.И. Баранова".111116, Москва, ул. Авиамоторная, 2, ФГУП "ЦИАМ им. П.И. Баранова", отдел интеллектуальной собственности.

6. Патент №2, (2184878), F04D29/38. Некрасов С.С., Медов Ю.В. Рабочая лопатка осевого компрессора. Открытое акционерное общество "А. Люлька-Сатурн".129301, Москва, ул. Касаткина, 13, АО "А. Люлька-Сатурн".

7. Патент №3, (2381388), F04D29/38. Кузменко Михаил Леонидович, Кривоногов Альберт Рудольфович, Кащеев Алексей Викторович, Еремин Алексей Анатольевич. Рабочая лопатка вентилятора или компрессора. Открытое акционерное общество "Научно-производственное объединение "Сатурн".152903, Ярославская обл., г. Рыбинск, пр-кт Ленина, 163, ОРИС, ОАО "Научно-производственное объединение "Сатурн".

Размещено на Allbest.ru