Что такое лопатки двигателя

Композиционные лопатки

Kомпозиционные материалы привносят в авиацию много полезного — они увеличивают прочность деталей, снижают их вес и подверженность коррозии, а также позволяют сократить количество деталей. В авиационных двигателях композиты тоже снижают вес, что влечет за собой экономию топлива.

По сравнению с титановыми композитные лопатки вентилятора не только легче — им можно придать более сложную аэродинамическую форму и обойтись меньшим количеством деталей. Это достигается благодаря компьютерному 3D-моделированию аэродинамических процессов, развитие которого идет с 1990-х гг.

Kомпозиционные материалы привносят в авиацию много полезного — они увеличивают прочность деталей, снижают их вес и подверженность коррозии, а также позволяют сократить количество деталей. В авиационных двигателях композиты тоже снижают вес, что влечет за собой экономию топлива. По сравнению с титановыми композитные лопатки вентилятора не только легче — им можно придать более сложную аэродинамическую форму и обойтись меньшим количеством деталей. Это достигается благодаря компьютерному 3D-моделированию аэродинамических процессов, развитие которого идет с 1990-х гг.

По данным компании General Electric, впервые применившей широкохордовые композитные лопатки на вентиляторе двигателя GE90 для Boeing 777, они весят на 10% меньше, чем пустотелые титановые лопатки. Впоследствии композитные лопатки были использованы на GEnx для Boeing 787 и 747-8; эти работы привели к созданию масштабируемой архитектуры eCore, которую можно применить как для перспективной программы Boeing 777-9X, так и — через совместное предприятие CFM International с участием Snecma — для семейства двигателей LEAP-1, предназначаемых для узкофюзеляжных Airbus A320NEO, Boeing 737MAX и Comac C919.

В классической технологии General Electric лопатки изготавливаются из армирующих слоев волокна, пропитанных связующим веществом. Такой подход годится для больших лопаток мощных двигателей с вентиляторами диаметром 123-128 дюймов (3,00-3,25 м), но его нельзя масштабировать для относительно небольших лопаток вентиляторов диаметром 60-75 дюймов (1,5-1,9 м). Длинные лопатки получаются достаточно гибкими, чтобы выдержать попадание птицы, а короткие лопатки оказываются слишком жесткими и от попадания, скажем, гуся могут рассыпаться.

На предприятии CFM International компания Snecma традиционно отвечает за системы низкого давления, поэтому она взялась за задачу изготовления лопаток вентилятора для двигателя LEAP. Ответ Snecma на проблему избыточной жесткости — ткать лопатки из нитей углеволокна, а не из слоев. Сотканная трехмерная структура лопатки скрепляется с помощью технологии, называемой формованием с переносом смолы. В результате получается лопатка, способная выдержать попадание птицы или других посторонних предметов в сертификационных испытаниях FAA.

Партнером для организации производства Snecma выбрала Albany Engineered Composites (AEC), дочернее предприятие компании Albany International, знаменитой производством приводных ремней для бумагоделательных машин (по словам президента компании Джозефа Мороуна, ее оборот в прошлом году составил 720 млн долл., на 18 заводах по всему миру работают 4300 сотрудников).

AEC применила технологический процесс, восходящий к одному из чудес промышленной революции XIX в. Это жаккардовое переплетение, широко используемое в многослойных тканях, таких как парча или матлассе. Жаккардова вязальная машина позволяет ткать сложные узоры в едином процессе. Сейчас, конечно, машины управляются компьютерами, но процесс изготовления композитной лопатки турбовентилятора все равно похож на вязку стеганого одеяла.

После десятилетия исследовательских работ Snecma и AEC смогли продемонстрировать успех выбранной технологии, сейчас идет подготовка к организации серийного производства лопаток и других композитных деталей. Должны быть построены две фабрики — одна в Рочестере (шт. Нью-Гемпшир), другая на востоке Франции около Нанси.

AEC имеет большой опыт работы с композиционными материалами, среди прочего она выпускает композитные подкосы для шасси Boeing 787, которое поставляет компания Messier-Dowty, входящая вместе со Snecma в группу Safran.

По мнению Джозефа Мороуна, технология, разработанная для тканья лопаток, найдет и другие применения — например, для изготовления фюзеляжей — так что ее распространение может принципиально изменить «правила игры». Впрочем, одно только изготовление лопаток для двигателей LEAP может увеличить доходы компании на 300- 500 млн долл. в год.

Читать еще:  Что означает мощность двигателя внутреннего сгорания

По словам гендиректора AEC Жан-Жака Орсини, изготовление лопаток началось в прошлом ноябре, первоначально в работе было занято 24 сотрудника, сейчас 60. На опытном производстве сегодня выпускается только 40 лопаток в месяц, но к 2020 г. при работе в три смены каждые полчаса будет производиться новая лопатка. Это потребует 400 сотрудников, распределенных поровну между AEC и Snecma.

По прогнозам CFM International, к 2020 г. спрос на ее двигатели составит 1500 в год, что превышает нынешний уже рекордный уровень производства 1350 двигателей в год.

Большинство двигателей будут семейства LEAP, а не CFM56, поскольку совместное предприятие, которое собирает двигатели и во Франции, и в США, учитывает планируемый переход Arbus и Boeing на программы выпуска ремоторизованных узкофюзеляжных самолетов семейств A320NEO и 737MAX.

Строительство фабрики AEC в США уже началось, стоимость проекта составляет 100 млн долл. Стройка завершится в середине 2013 г., завод будет готов выпускать лопатки в начале 2014 г. Аналогичная фабрика во Франции под Нанси (в местечке Коммерси) будет введена в строй годом позже.

Лопатки ткутся как цельный кусок материи, более толстый у основания, заостренный по сторонам и тонкий на вершине. Для изготовления 18 лопаток вентилятора LEAP требуется почти 322 км волокна. Сотканная структура заполняется смолой под давлением почти 9 атм, и этим завершается процесс формования. Затем лопатка проходит термообработку в печи при температуре 175°С в течение 5 ч.

Контроль качества осуществляется с использованием рентгеновских и ультразвуковых установок. Поверхность лопаток подвергается дополнительной обработке для повышения ее стойкости.
По словам представителей AEC, вес готовой лопатки составляет около 4 кг, примерно в 8 раз меньше, чем у аналогичной титановой лопатки.

По мнению Snecma и AEC, разработанную технологию можно применять для лопаток вентиляторов диаметром до 120 дюймов (3 м). Тем не менее процесс изготовления еще должен быть сертифицирован, поэтому пока нет планов распространить новую технологию на изготовление лопаток для двигателей семейства GE90/GEnx.

Источник: «Авиатранспортное обозрение»

Изготовление лопаток

Заготовка

вид заготовки: штамповка, поковка собственного производства;

материал: титановые сплавы, жаропрочные сплавы

Характеристика детали

типы лопаток: консольные лопатки с точеным замком и хвостовиком «ласточкин хвост», двухполочные лопатки, поворотные лопатки, лопатки с бандажными полками;

размеры профиля, мм: до 700х400;

толщина профиля, мм: 3…12

точность обработки, мм: ±0,04;

шероховатость пера (Ra), мм: 0,032

Оборудование

5-ти координатные 5-ти шпиндельные обрабатывающие центры SX-051B, LX-051, STC-100, NX-155 компании «Штарраг» (Швейцария), 4-х и 3-х координатные высокоскоростные обрабатывающие центры «Микромат» (Германия). Установки для автоматической объемной виброшлифовки лопаток компрессора фирмы «Рёслер» (Германия)

Изготовление лопаток компрессора малого размера

Заготовка
вид заготовки: штамповка, поковка;
материал: титановые сплавы, жаропрочные сплавы на основе никеля

Характеристика детали
типы лопаток: консольные лопатки с точеным замком и хвостовиком «ласточкин хвост»
размеры профиля, мм: 95х45;
толщина профиля, мм: 0,6…2,8
точность обработки, мм: ±0,03;
шероховатость пера (Ra), мм: 0,02

Оборудование
станки ЭХВИС-5000 производства АО «КМПО»

Изготовление лопаток турбины

Заготовка
вид заготовки: литье по выплавляемым моделям;
материал: жаропрочные сплавы на основе никеля

Характеристика детали
типы лопаток: рабочие лопатки с бандажными полками и замком, охлаждаемые лопатки, сопловые секции 2. 4 секционные;
длина лопаток до 400 мм;
точность обработки замка, мм: ±0,02;

Оборудование
Токарно-карусельные станки с шлифовальным шпинделем ЛШ-278 (Россия)
Станки для глубинного шлифования ЛШ-220 (Россия), «Ельб Шлиф» (Германия), «Блом» (Германия), «HAAS Multigrind CA» (Германия)

Арматурное производство

Заготовка
вид заготовки: пруток, поковка
материал: жаропрочные сплавы, никельсодержащие сплавы

Характеристика детали
тип: фланцы, переходники, штуцера, тройники
максимальный диаметр точения, мм: 200

Оборудование
Токарный обрабатывающий центр с ЧПУ, мод. СТХ310ecoline «DMG Mori» (Германия)

Заготовка
вид заготовки: пруток
материал: жаропрочные сплавы, нержавеющая сталь

Характеристики деталей
тип: штифты, болты, втулки, ниппеля
диаметры, мм: до 20 и до 32

Оборудование
Токарные автоматы продольного точения мод. ТСМ-20S и ТСМ-32S. Производитель «Industry Co. Ltd» (Юж.Корея).

Читать еще:  Двигатель w10 что это такое

Балансировочное оборудование

Балансировочный станок грузоподъемностью до 4000 кг., модели БС-44 3000S для балансировки роторов ГТД. Производитель ООО «ПК Робалс» (Россия).

Лопатка газовой турбины

  1. Назначение и производство лопаток
  2. Хвостовик лопатки турбины

Назначение и производство лопаток

Лопатки турбин необходимы для превращения энергии входящего воздуха в механическую работу ротора.

С помощью компрессора воздух сжимается и подается в камеру сгорания газотурбинной установки. Там он смешивается с природным газом и расширяется, после чего попадает на лопатки. Под давлением газа лопасти придают движение валу, соединенному с электрогенератором.

Части лопатки газовой турбины:

  • Перо – профильный элемент, представляющий собой изогнутую металлическую пластину. Как правило, его ширина составляет четверть от длины
  • Хвостовик –замковый фрагмент, при помощи которого лопатка устанавливается в диск
  • Полка – концевой участок пера, предназначенный для снижения вибрации и защиты замкового элемента и обода диска от воздействия горячего газа. Благодаря ее применению появляется возможность снизить толщину диска

Лопатки крепятся на диск с точно заданными отступами, через которые проходит газ – каналами. Полки образуют корпус этих каналов. Их концы в нерабочем состоянии соприкасаются между собой или имеют зазор до 0,2 мм и в сборе создают замкнутое кольцо.

Пластины функционируют в условиях влияния очень горячего газа (800-1250°С) и частых температурных перепадов, поэтому изготавливаются из жаропрочных металлов. Наиболее распространенными являются детали из сплавов на основе никеля.

Создание лопаток необходимой формы осуществляется методом литья.

Хвостовик лопатки турбины

Конструкция хвостовика лопатки зависит от ее длины и нагрузки.

Замковый элемент состоит из тела с зубцами, на которые распределяется нагрузка – элементами, опирающимися на выступы диска.Он устанавливается в паз.

Пазы дисков в газовых турбинах создаются параллельно оси вращения ротора. Такое расположение называется осевой заводкой.

Хвостовик является самым нагруженным элементом лопатки, поэтому нуждается в защите от фреттинг-коррозии и других повреждений в процессе эксплуатации.

Для этого применяют антифрикционное твердосмазочное покрытие MODENGY 1001. Помимо снижения трения и увеличения ресурса деталей оно обеспечивает легкий монтаж и демонтаж лопаток.

Типы хвостовиков лопаток турбин

Для лопастей малой длины с небольшой центробежной силой применяются Т-образные хвостовики, имеющие один выступ. Для установки требуется разогнуть щеку диска.При необходимости замены одной лопатки приходится разбирать всю конструкцию.

Вильчатый хвостовик представляет собой деталь с несколькими вертикальными выступами, напоминающими вилку. Они вставляются в паз и закрепляются специальными замками. Преимуществом такой установки является возможность замены одного элемента без разбора системы.

Наиболее работоспособным видом крепления лопатки на диск является елочный хвостовик. Он состоит из нескольких пар зубьев, каждая из которых может выдерживать центробежные нагрузки в 2-3 тонны. Однако из-за концентрации напряжения на выступах могут появляться усталостные трещины. Для их производства необходима высокая точность расчетов и последующего изготовления для равномерности распределяемой нагрузки.

Аэрокосмическая промышленность — Тестирование и разработка

В аэрокосмической промышленности компоненты, изготовленные из легких и высокопрочных материалов, должны соответствовать строгим требованиям к конструкции и качеству. Чтобы повысить безопасность и снизить расход топлива, разработчикам и инженерам-испытателям нужна эффективная и точная измерительная техника. Лазерные доплеровские виброметры Optomet выполняют надежные бесконтактные измерения без воздействия на объект и без необходимости подключения датчиков даже в сложных условиях испытаний.

  • Лопатки турбины
  • Обнаружение ослабленной заклепки
  • Крыло самолета

Лопатки турбины — безопасность, надежность и эффективность

Турбинные реактивные двигатели стали неотъемлемой частью самолетов в современной авиации. Дальнейшие разработки всегда производятся для повышения безопасности полетов, повышения КПД турбин, оптимизации общих рабочих характеристик и снижения уровня шума.

Одним из важнейших компонентов турбореактивного двигателя является взятая в отдельности лопатка турбины. Характеристики лопатки турбины при разных уровнях нагрузки и при разных температурах влияют на общее поведение двигателя.

Одним из способов более точной оценки усталостной долговечности лопатки является метод измерения «малоцикловой усталости» (LCF), при котором турбина исследуется до и после повторяющихся циклических нагрузок. Усталость от термической нагрузки более подробно исследуется с использованием методов «Термомеханическая усталость» (TMF) при температурах до 1000 °C. Модельные расчеты геометрических характеристик лопатки служат для оптимизации демпфирующих свойств и поведения потока, а также для подавления нежелательных резонансов.

Читать еще:  Toyota supra тюнинг двигателя

Лазерные доплеровские виброметры Optomet предлагают надежный способ точного измерения рабочих вибраций лопаток до, после и во время фаз загрузки и нагрева с использованием бесконтактного метода. Знание свойств вибрации позволяет определять модальные параметры и проверять прогнозы модели. Изменение свойств при различных методах нагрузки позволяет пользователям прогнозировать ожидаемый срок службы турбины в реальных условиях эксплуатации. Поэтому результаты важны для определения циклов технического обслуживания турбин и оценки возможного срока службы турбин при перегрузке, например, если оставшаяся турбина должна эксплуатироваться с нагрузкой, значительно превышающей нормальную, чтобы компенсировать отказ другого двигателя воздушного судна.

Системы сканирующего лазерного виброметра придают особую ценность этому методу, поскольку они позволяют быстро и легко определять характеристики рабочих форм вибрации на поверхности лопатки.

Благодаря высокой мощности и качеству сигнала лазерных доплеровских виброметров Optomet отпадает необходимость в специальной обработке или подготовке поверхностей для измерения. Параметры вибрации можно точно измерить даже на раскаленных добела и плохо отражающих объектах.

Практический пример

Модальные параметры турбинной лопатки можно определить с помощью бесконтактных методов измерения вибрации, например, сканирующая лазерная виброметрия. Перо лопатки можно возбуждать в лаборатории, например, установив его на виброустановку или ударяя по нему модальным молотком. В качестве альтернативного варианта, описанного здесь, можно применять бесконтактное возбуждение звуковым давлением.

Обнаружение ослабленной заклепки

Из-за неуклонного увеличения объемов авиаперевозок потребность в быстрых и надежных методах проверки, которые проверяют целостность соединений материалов, возрастает. Несмотря на то, что клеевые соединения становятся все более популярными, клепаные соединения по-прежнему составляют большинство соединений в самолетах. Современные стандартные правила проверки требуют, чтобы заклепки подвергались визуальной проверке сертифицированным персоналом. Эти проверки занимают много времени, часто ошибочны, а ошибки на ранних стадиях обычно не распознаются.

Поэтому есть большой интерес к современным подходам, которые позволяют обеспечить надежный и стандартизированный контроль заклепочных соединений и в то же время сократить время простоя самолетов.

Сканирующие лазерные доплеровские виброметры (SLDV) Optomet обеспечивают бесконтактное, надежное и, прежде всего, объективное раннее обнаружение ослабленных заклепок. Если соответствующая деталь самолета, соединенная с помощью заклепок, возбуждается в широком диапазоне частот, виброметры SLDV могут регистрировать и анализировать полное вибрационное поведение ее поверхности в пределах анализируемого частотного спектра. Составление схемы зон вокруг заклепочных соединений с соответствующими оценками дает значимую информацию о состоянии заклепок, такую как средняя амплитуда колебаний, совокупное распределение данных измерений или функции передачи частоты между различными точками на поверхности.

Значительное отклонение этих величин в близко расположенных местах по сравнению с остальной поверхностью позволяет напрямую оценить, есть ли в этих точках изношенное клепаное соединение, даже если клепаное соединение визуально не определяется. Степень нестандартного поведения также позволяет сделать вывод о степени усталости заклепочного соединения и, таким образом, также принять решение о том, следует ли эту заклепку заменять немедленно, или соединение все еще имеет достаточную прочность для дальнейшей эксплуатации, и замена может быть произведена в ходе планового технического обслуживания.

Крыло самолета

Во время полетов на высоких скоростях крылья самолета подвергаются значительной вибрации и деформации. Деформации могут составлять от нескольких миллиметров до нескольких сотен миллиметров, тогда как колебания могут составлять от нескольких нанометров до нескольких сотен микрометров.

Ни один традиционный измерительный прибор не может покрыть такой диапазон измерения— более 160 дБ—за одно измерение. С помощью Optomet Nova Sense с программным обеспечением OptoGUI впервые появилась возможность измерять деформации и вибрации одновременно с динамическим диапазоном более 220 дБ. Отличные характеристики Optomet Nova Sense были подтверждены измерениями на моделях профиля крыла в аэродинамической трубе.

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector