Лопатка осевого компрессора

 

Изобретение относится к области турбомашиностроения, а именно к лопаткам осевого компрессора, выполненным из слоистого композиционного материала. Изобретение может быть использовано в авиационной, нефтяной и газовой промышленности и других областях техники, где используются осевые компрессоры, насосы и перекачивающие станции. Техническим результатом изобретения является создание лопатки осевого компрессора с широкой областью упругой раскрутки пера, позволяющей осуществлять авторегулирование режима работы ступеней компрессора и обеспечивать газодинамическую устойчивость при рассогласовании работы ступени, а также регулирование напряженно-деформированного состояния материала пера и кромки лопаток при совместном действии газовых и центробежных нагрузок. Для решения поставленной задачи предложена лопатка осевого компрессора, выполненная из слоистого композиционного материала, состоящего из чередующихся слоев или пачек слоев, ориентированных под углами относительно продольной оси лопатки, отличающаяся тем, что композиционный материал лопатки имеет несбалансированную структуру относительно выбранных осей анизотропии, обладающий возможностью адаптироваться при нагружении газовыми и центробежными силами и обеспечивающий авторегулирование и согласование режима работы ступеней компрессора. 6 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к области турбомашиностроения, а именно к лопаткам осевого компрессора, выполненным из слоистого композиционного материала. Изобретение может быть использовано в авиационной, нефтяной и газовой промышленности и других областях техники, где используются осевые компрессоры, насосы и перекачивающие станции.

Известно, что на нерасчетных частотах вращения ротора компрессора происходит рассогласование режимов работы его ступеней, сопровождающееся возрастанием угла атаки на лопатках первых ступеней. В связи с этим происходит снижение их КПД и возникает опасность формирования срывного течения и нарушение газодинамической устойчивости работы компрессора.

Известны конструкции лопаточных машин, в которых для повышения устойчивости работы ступеней компрессора применяют механические устройства, поворачивающие лопатки в узлах их крепления к диску.("Теория и расчет авиационных лопаточных машин". Изд. Машиностроение, М., 1986 г., с. 432, К.В. Холщевников, О.Н. Енин, В.Т. Митрохин).

Известна конструкция лопатки, выполненной из пластика, армированного пучком нитей, расположенных вдоль пера. Для повышения вибростойкости материала лопатки участки нитей в зоне пера выполнены криволинейными и выпуклой стороной обращены к продольной оси лопатки (авт. св. СССР 994782, Б.И. 5, 1983 г.).

Однако все описанные конструктивные варианты устройств лопаток сложны в изготовлении и требуют создания системы управления поворотом лопаток в зависимости от оборотов вращения ротора и стабильности работы компрессора.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому изобретению является лопатка осевого компрессора из слоистого композиционного материала, выполненная из чередующихся и ориентированных относительно ее продольной оси слоев или пачек слоев стекловолокнистого и углеволокнистого материала, причем для обеспечения необходимой жесткости и вибрационной прочности соотношение слоев стекловолокнистого и углеволокнистого наполнителей и их ориентация изменяются относительно продольной оси лопатки по высоте и хорде лопатки. Во всех вариантах укладки слоев имеет место симметричная ориентация, то есть слои укладываются под углами ±ϕ. Предлагаемые варианты структуры армирования лопатки действительно в достаточно широких пределах позволяют изменять прочностные, жесткостные и вибрационные параметры материала лопатки. Но эти пределы ограничены изгибно-крутильной деформацией естественно закрученных стержней с симметричной укладкой наполнителей относительно осей анизотропии материала лопатки. Все это не позволяет осуществлять авторегулирование режима работы ступеней компрессора и обеспечивать газодинамическую устойчивость при изменении действующих газовых и центробежных сил.

Технической задачей изобретения является создание лопатки осевого компрессора с широкой областью упругой раскрутки пера, позволяющей осуществлять авторегулирование режима работы ступеней компрессора и обеспечивать газодинамическую устойчивость при рассогласовании работы ступени, а также регулирование напряженно-деформированного состояния материала пера и кромки лопаток при совместном действии газовых и центробежных нагрузок.

Для решения поставленной задачи предложена лопатка осевого компрессора, выполненная из слоистого композиционного материала, состоящего из чередующихся слоев или пачек слоев, ориентированных под углами относительно продольной оси лопатки, отличающаяся тем что композиционный материал лопатки имеет несбалансированную структуру относительно выбранных осей анизотропии, обладающий возможностью адаптироваться при нагружении газовыми и центробежными силами и обеспечивающий авторегулирование и согласование режима работы ступеней компрессора.

Несбалансированную структуру образуют - за счет несимметричной ориентации слоев или части слоев под углами, отличными от направления выбранной оси анизотропии, - за счет размещения слоев или пачек слоев с одинаковым или различным углом армирования на различных расстояниях от плоскости, проходящей через середину толщины материала, - за счет использования слоев, выполненных из разнородных или однородных материалов, имеющих различные свойства. Причем количество слоев несбалансированной структуры изменяется по объему профиля лопатки (изменение по высоте и хорде пера лопатки).

Существенным отличием предлагаемого изобретения является то, что применение несбалансированной структуры КМ дает дополнительные сдвиговые деформации, что увеличивает диапазон раскрутки (закрутки) профиля лопатки при увеличении (уменьшении) скорости вращения ротора компрессора.

В результате лопатки рабочих колес компрессора приобретают повышенную упругую раскрутку под воздействием газовых и центробежных сил, при максимальной частоте вращения ротора профили лопаток и принимают крайнее "раскрытое" положение. При понижении частоты вращения ротора профиль пера лопатки будет автоматически "прикрываться", благодаря чему ослабляется тенденция к возрастанию угла атаки, то есть происходит авторегулирование работы ступени. Раскрутка или закрутка пера профиля лопатки изменяются в широких пределах в диапазоне, определяемом характеристиками применяемых материалов: модули упругости при растяжении и сдвиге, коэффициенты взаимного влияния 1-го и 2-го рода и коэффициентами Ченцова. Максимальные значения 2 и более коэффициенты взаимного влияния достигают при несимметричной ориентации всех слоев материала относительно выбранной оси анизотропии на угол ϕ, оптимальные значения которого зависят от вида армирующих волокон и типа матрицы. Это означает, что дополнительные "побочные" сдвиговые деформации будут в 2 и более раз превышать деформации в направлении действия нормальных напряжений.

Пример 1 Естественно закрученный на угол +45^o стержень, имитирующий форму лопатки, выполнен из углепластика, содержащего 20 слоев армирующего наполнителя: 8 слоев ориентированы вдоль оси стержня, 4 слоя ориентированы под углами ±30^o (2 слоя +30^o, 2 слоя -30^o), оставшиеся 8 слоев ориентированы под углом -30^o, При растяжении стержня угол его раскрутки составил 11^o.

Пример 2.

Естественно закрученный на угол +45^o стержень выполнен из 20 слоев угле- и стеклопластика: 8 слоев упепластика ориентированы вдоль оси стержня, 4 слоя углепластика ориентированы под углами ±30^o, оставшиеся 8 слоев стеклопластика ориентированы под углом -15^o. При растяжении стержня угол его раскрутки составил 14^o.

Пример 3.

Естественно закрученный на угол +45^o стержень выполнен из 20 слоев углепластика, в том числе 4 слоя расположены по оси стержня под углом 0^o и занимают расстояние 0,2h по обе стороны от оси лопатки, где h - половина толщины стержня (или 10 слоев), далее на расстоянии от 0,2h до 0,6h по обе стороны от оси стержня расположены слои углепластика, ориентированные под углом -10^o к оси стержня, затем на расстоянии от 0,6h до 1,0h по обе стороны от оси стержня расположены слои углепластика, ориентированные под углом -15^o к оси стержня. При растяжении стержня угол его раскрутки составил 17^o.

Пример 4. (Прототип) Естественно закрученный на угол +45^o стержень, имитирующий форму лопатки, выполнен из углепластика, содержащего 20 слоев армирующего наполнителя: 8 слоев ориентированы вдоль оси стержня, оставшиеся 12 слоев ориентированы симметрично: 6 слоев под углами +30^o, 6 слоев под углами - 30^o. При растяжении стержня угол его раскрутки составил 7^o.

Таким образом, предложенная лопатка осевого компрессора может быть использована в адаптирующихся конструкциях лопаточных венцов первых ступеней компрессора для обеспечения авторегулирования режима работы его ступеней, устранения опасности формирования срывного течения и нарушения газодинамической устойчивости при рассогласовании режимов работы ступеней компрессора и для оптимизации напряженно-деформированного состояния материала лопатки.

Формула изобретения

1. Лопатка осевого компрессора выполненная из слоистого композиционного материала, состоящего из чередующихся слоев или пачек слоев, ориентированных под углами относительно продольной оси лопатки, отличающаяся тем, что композиционный материал лопатки имеет несбалансированную структуру относительно выбранных осей анизотропии, обладающий возможностью адаптироваться при нагружении газовыми и центробежными силами и обеспечивающий авторегулирование и согласование режима работы ступеней компрессора.

2. Лопатка по п.1, отличающаяся тем, что несбалансированную структуру образуют за счет несимметричной ориентации слоев под углами отличными от направления выбранной оси анизотропии.

3. Лопатка по п.1, отличающаяся тем, что несбалансированную структуру образуют за счет несимметричной ориентации части слоев под углами, отличными от направления выбранной оси анизотропии.

4. Лопатка по п.1, отличающаяся тем, что несбалансированную структуру образуют за счет размещения слоев или пачек слоев с одинаковыми или различными углами армирования на различных расстояниях от плоскости, проходящей через середину толщины материала.

5. Лопатка по п.1, отличающаяся тем, что несбалансированную структуру образуют за счет использования слоев, выполненных из разнородных материалов.

6. Лопатка по п.1, отличающаяся тем, что несбалансированную структуру образуют за счет использования слоев, выполненных из однородных материалов, имеющих различные свойства.

7. Лопатка по п.1, отличающаяся тем, что количество слоев несбалансированной структуры изменяют по объему профиля лопатки.