Защитный элемент передней кромки
Изобретение относится к области лопаток лопаточных машин, и в частности к защитному элементу (32) передней кромки лопатки (16) лопаточной машины, который содержит пластинку (34) корытца и пластинку (36) спинки, каждая из которых проходит по высоте и по длине и которые соединены друг с другом по своей высоте, при этом пластинка (34) корытца имеет более значительную длину, чем пластинка (36) спинки на первом сегменте (S1) защитного элемента передней кромки, и равную или меньшую длины пластинки (36) спинки на втором сегменте (S2) защитного элемента (32) передней кромки. Позволяет уменьшить массу и инерцию защитного элемента. 5 н. и 5 з.п. ф-лы, 5 ил.
Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к защитному элементу передней кромки лопатки лопаточной машины. Под «лопаточной машиной» в этом контексте следует понимать любую машину, в которой может происходить передача энергии между потоком текучей среды и по меньшей мере одним лопаточным колесом, например, таким как компрессор, насос, турбина, воздушный винт или комбинация по меньшей мере двух из них.
Уровень техники
Такие защитные элементы передней кромки обычно предназначены для предохранения передних кромок вращающихся лопаток или направляющих лопаток от ударов. Под «лопатками» в этом контексте следует понимать как лопатки вентилятора, так и лопасти воздушного винта. Для ограничения веса этих лопаток они, как правило, в основном образованы корпусом лопатки из композиционного материала с органической матрицей, например, из полимера, усиленной волокнами. Хотя, как правило, эти материалы имеют очень хорошие механические свойства, в частности, относительно своей массы, все же они обладают некоторой чувствительностью к точечным ударам. На передних кромках таких лопаток обычно устанавливают защитные элементы, как правило, из высокопрочного металлического материала, такого как титановые сплавы, чтобы предохранить их от этих ударов. Эти защитные элементы обычно выполнены в виде тонкой пластинки корытца и тонкой пластинки спинки, соединенных более толстым участком, охватывающим переднюю кромку, при этом весь узел соответствует форме лопатки на передней кромке и смежных участков корытца и спинки. Пластинки корытца и спинки проходят по высоте и по длине на этих участках соответственно корытца и спинки лопатки и в основном служат для позиционирования и крепления защитного элемента на передней кромке, а также для распределения силы удара и для рассеяния его энергии на большей площади корпуса лопатки. По этой причине пластинка корытца обычно имеет по всей высоте защитного элемента более значительную длину, чем пластинка спинки, так как корытце лопатки более подвержено ударам. Однако, в частности, на вращающихся лопатках эта дополнительная длина приводит к существенному увеличению массы защитного элемента, а также его инерции вокруг оси, совпадающей с направлением высоты.
Раскрытие сущности изобретения
Задача изобретения состоит в устранении вышеуказанных недостатков за счет создания защитного элемента передней кромки лопатки лопаточной машины, который обеспечивает соответствующую защиту корытца этой лопатки при меньших массе и инерции.
По меньшей мере в одном варианте осуществления эта задача решается за счет того, что в указанном защитном элементе передней кромки, который может быть выполнен из металлического материала и содержит пластинку корытца и пластинку спинки, каждая из которых проходит по высоте и по длине и которые соединены друг с другом по своей высоте, пластинка корытца имеет более значительную длину, чем пластинка спинки на первом сегменте защитного элемента передней кромки, и равную или меньшую длины пластинки спинки на втором сегменте защитного элемента передней кромки.
Благодаря этим признакам, можно уменьшить массу и инерцию защитного элемента, когда корпус лопатки со стороны корытца менее подвержен ударам и/или в меньшей степени страдает от них под указанным вторым сегментом защитного элемента, чем под указанным первым сегментом.
Указанный первый сегмент защитного элемента может быть расположен по меньшей мере на 60% высоты пластинок корытца и спинки. Чтобы сохранить достаточную защиту корытца, в указанном втором сегменте защитного элемента глубина пластинки корытца может оставаться равной или превышать 70% и даже 85% глубины пластинки спинки.
Поставленная задача решена также в лопатке, расположенной по высоте от ножки лопатки до вершины лопатки и содержащей корпус лопатки и такой защитный элемент передней кромки, соединенный с корпусом лопатки, при этом корпус лопатки выполнен из композиционного материала с органической матрицей из полимера, усиленной волокнами, при этом защитный элемент передней кромки выполнен из материала с более высокой стойкостью к точечным ударам, чем композиционный материал корпуса лопатки, и первый сегмент защитного элемента передней кромки находится ближе к ножке лопатки, чем второй сегмент защитного элемента передней кромки.
Поставленная задача решена также в лопаточной машине, содержащей множество таких лопаток, вентиляторе, содержащем множество таких лопаток, и двухконтурном турбореактивном двигателе, содержащем такой вентилятор.
Краткое описание чертежей
Изобретение и его преимущества будут более очевидны из нижеследующего подробного описания варианта осуществления, представленного в качестве неограничивающего примера. Описание ссылается на прилагаемые чертежи, на которых:
на фиг. 1 схематично показан двухконтурный турбореактивный двигатель, вид в перспективе;
на фиг. 2А и 2В схематично показана, соответственно со стороны корытца и спинки, вращающаяся лопатка вентилятора турбореактивного двигателя, изображенного на фиг. 1, согласно варианту осуществления лопатки, виды в перспективе;
на фиг. 3 и 4 представлены частичные виды в разрезе лопатки, изображенной на фиг. 2А и 2В, соответственно по плоскостям III-III и IV-IV.
Подробное описание изобретения
На фиг. 1 показан двухконтурный турбореактивный двигатель 10, содержащий газогенераторную установку 12 и вентилятор 14. Этот вентилятор 14 содержит множество вращающихся лопаток 16, расположенных радиально вокруг центральной оси Х, аэродинамические профили которых выполнены таким образом, чтобы приводить воздух в движение при своем вращении, и которые окружены картером 50 вентилятора. Как показано на фиг. 2А, 2В, 3 и 4, каждая лопатка 16 имеет переднюю кромку 18, заднюю кромку 20, корытце 22, спинку 24, вершину 26 лопатки и ножку 28 лопатки.
Во время нормальной работы относительный ветер по существу направлен в сторону передней кромки 18 каждой лопатки 16. Таким образом, эта передняя кромка 18 особенно подвержена действию ударов. В частности, когда лопатка 16 содержит корпус 30 из композиционного материала с полимерной матрицей, усиленной волокнами, следует предохранять переднюю кромку 18 при помощи защитного элемента 32 передней кромки, встроенного в каждую лопатку. Иначе говоря, защитный элемент 32 передней кромки соединен с корпусом 30 лопатки.
Защитный элемент 32 передней кромки выполнен из материала, обладающего более высокой стойкостью к точечным ударам, чем композиционный материал корпуса 30 лопатки. Защитный элемент 32 передней кромки в основном является металлическим и, в частности, выполнен из сплава на основе титана, например, TA6V (Ti-6Al-4V). Защитный элемент 32 передней кромки можно также выполнить из стали или из металлического сплава, обычно известного под зарегистрированным товарным знаком “Inconel”. В дальнейшем для обозначения сплава на основе железа, легированного никелем и хромом, будет использовано название Инконель.
Защитный элемент 32 передней кромки содержит пластинку 34 корытца, пластинку 36 спинки, каждая из которых проходит по высоте на высоте Н защитного элемента 32, и более толстый центральный участок 38, выполненный с возможностью охватывать кромку корпуса 30 лопатки и соединять пластинку 34 корытца и пластинку 36 спинки на этой высоте Н. Пластинки 34, 36 корытца и спинки обеспечивают позиционирование защитного элемента 32 на корпусе 30 лопатки. Пластинки 34, 36 корытца и спинки имеют, каждая, свободный край 40, 42 и расположены, каждая, по длине от центрального участка 38 до соответствующего свободного края 40, 42.
Поскольку относительный ветер обычно дует под некоторым углом атаки относительно передней кромки 18, корытце лопатки 16 более подвержено ударам вблизи передней кромки 18, чем спинка. По этой причине в представленном варианте осуществления в первом сегменте S1 защитного элемента 32 передней кромки, смежном с ножкой 28 лопатки и занимающем по меньшей мере 60% и даже 75% высоты Н защитного элемента передней кромки, длина l пластинки 34 корытца, измеренная от передней кромки 18 до свободного края 40, превышает длину L пластинки 36 спинки, измеренную от передней кромки 18 до соответствующего свободного края 42, как показано на фиг. 3.
Вместе с тем, благодаря закрутке лопатки и/или благодаря картеру 50, вход которого может быть более узким, чем вентилятор 14, можно снизить влияние сильных ударов. Таким образом, длину l пластинки 34 корытца можно уменьшить до значения, равного или меньшего длины L пластинки 36 спинки во втором сегменте S2 защитного элемента 32 передней кромки, находящемся ближе к вершине 26 лопатки, чем к ножке 28 лопатки, как показано на фиг. 4. Таким образом, массу и особенно инерцию защитного элемента 32 можно уменьшить без негативных последствий для их защиты при помощи этого защитного элемента 32 передней кромки. В этом втором сегменте S2 защитного элемента 32 передней кромки длина l пластинки 34 корытца может оставаться равной или превышать 70% и даже 85% длины L пластинки 36 спинки.
Хотя настоящее изобретение было описано для конкретного примера осуществления, разумеется, в эти примеры можно вносить различные изменения, не выходя за рамки общего объема изобретения, определенные формулой изобретения. Кроме того, отдельные признаки различных упомянутых вариантов осуществления можно комбинировать в дополнительных вариантах осуществления. Следовательно, описание и чертежи следует рассматривать скорее как иллюстративные, а не как ограничивающие.
1. Защитный элемент (32) передней кромки лопатки (16) лопаточной машины, содержащий пластинку (34) корытца и пластинку (36) спинки, каждая из которых проходит по высоте и по длине и которые соединены друг с другом по своей высоте, при этом пластинка (34) корытца имеет более значительную длину, чем пластинка (36) спинки на первом сегменте (S1) защитного элемента (32) передней кромки, и равную или меньшую длины пластинки (36) спинки на втором сегменте (S2) защитного элемента (32) передней кромки.
2. Защитный элемент (32) передней кромки по п. 1, в котором указанный первый сегмент (S1) защитного элемента (32) расположен по меньшей мере на 60% высоты пластинок (34, 36) корытца и спинки.
3. Защитный элемент (32) передней кромки по любому из пп. 1 или 2, в котором в указанном втором сегменте (S2) защитного элемента длина пластинки (34) корытца остается равной или превышает 70% длины пластинки спинки.
4. Защитный элемент (32) передней кромки по п. 3, в котором в указанном втором сегменте (S2) защитного элемента длина пластинки (34) корытца остается равной или превышает 85% длины пластинки спинки.
5. Защитный элемент (32) передней кромки по любому из пп. 1-4, выполненный из металлического материала.
6. Лопатка (4), проходящая по высоте от ножки (28) лопатки до вершины (26) лопатки и содержащая корпус (9) лопатки и защитный элемент (32) передней кромки по любому из пп. 1-5, соединенный с корпусом (30) лопатки, при этом корпус (9) лопатки выполнен из композиционного материала с полимерной матрицей, усиленной волокнами, при этом защитный элемент (32) передней кромки выполнен из материала с более высокой стойкостью к точечным ударам, чем композиционный материал корпуса (9) лопатки.
7. Лопатка (4) по п. 6, в которой первый сегмент (S1) защитного элемента (32) передней кромки находится ближе к ножке (28) лопатки, чем второй сегмент (S2) защитного элемента (32) передней кромки.
8. Лопаточная машина, содержащая множество лопаток (16) по любому из пп. 6 или 7.
9. Вентилятор (14), содержащий множество лопаток (16) по любому из пп. 6 или 7.
10. Двухконтурный турбореактивный двигатель (10), содержащий вентилятор (14) по п. 9.
