RU2732278C1

RU2732278C1 - Device for turbojet engine broken turbine blade localization

Info

Publication number: RU2732278C1
Application number: RU2019110543A
Authority: RU
Inventors: Владимир Васильевич Скиба; Михаил Юрьевич Егорушков
Original assignee: Публичное акционерное общество "ОДК-Уфимское моторостроительное производственное объединение"
Priority date: 2019-04-09
Filing date: 2019-04-09
Publication date: 2020-09-14

Abstract

FIELD: machine building.SUBSTANCE: invention relates to gas turbine engines and can be used in axial fans, compressors and turbines of aircraft turbojet engines and ground-based gas-turbine plants in order to protect against penetration at breakage of the blade. Device for localization of broken blade (2) of turbojet engine fan consists of external force impenetrable (3) and internal pierced (4) coaxial fan housings, interconnected by detachable connection to annular cavity (6) between them, located above the fan rotor blades, in annular cavity (6) equidistant to its surfaces at least three layers of hollow metal spheres (7) filled with inert gas.EFFECT: device allows maximum absorption of kinetic energy of fragment of detached blade and thus eliminates need to reinforce and accordingly weight outer housing to prevent its penetration, as well as simplify design.1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к газотурбинным двигателям и может быть использовано в осевых вентиляторах, компрессорах и турбинах авиационных турбореактивных двигателей и наземных газотурбинных установок с целью защиты от пробиваемости при обрыве лопатки.The invention relates to gas turbine engines and can be used in axial fans, compressors and turbines of aircraft turbojet engines and ground gas turbine plants in order to protect against penetration in case of blade breakage.

Обрыв лопаток лопаточных машин может быть связан с воздействием случайных эксплуатационных факторов. Уровень и характер повреждения лопаточной машины определяется размерами и количеством фрагментов, уровнем их кинетической энергии. Вторичные повреждения конструкции двигателя, при отсутствии их локализации в лопаточной машине, могут приводить к более тяжелым последствиям, чем непосредственно разрушение проточной части самой лопаточной машины. Поэтому способы защиты корпуса лопаточной машины от пробиваемости и устройства для их реализации постоянно развиваются и совершенствуются.Breakage of blades of bladed machines can be associated with the impact of random operating factors. The level and nature of damage to the blade machine is determined by the size and number of fragments, the level of their kinetic energy. Secondary damage to the engine structure, in the absence of their localization in the blade machine, can lead to more serious consequences than the direct destruction of the flow path of the blade machine itself. Therefore, methods of protecting the body of a blade machine from penetration and devices for their implementation are constantly developing and improving.

Известен способ защиты корпуса лопаточных машин от пробиваемости при обрыве лопатки и защищенный корпус для реализации этого способа (Патент РФ №2461719, опубликован 20.09.2012 г.).There is a known method of protecting the body of blade machines from penetration when a blade breaks and a protected body for implementing this method (RF Patent No. 2461719, published on 20.09.2012).

Согласно этому способу оборвавшуюся лопатку разворачивают торможением в радиальном направлении и разрушают внутри корпуса последующими набегающими лопатками на фрагменты с пофрагментарным рассеиванием кинетической энергии оборванной лопатки и удерживают их внутри корпуса, при этом кинетическую энергию любого из оборвавшихся фрагментов корпус поглощает без пробиваемости. Корпус для реализации данного способа включает в себя надлопаточную обечайку, содержащую множество секций попарно объединенных друг с другом фланцево-болтовым соединением и снабженных центрирующим буртом в зоне болтового соединения. Любая из секций обечайки снабжена гофрами, фланцы ослаблены проточками, а центрирующий бурт смещен в зону не препятствия деформации фланца в случае обрыва лопатки, при этом гофры и проточки устроены так, что позволяют разрушить оборвавшуюся лопатку последующими набегающими лопатками и удерживать образовавшиеся фрагменты в обечайке. Количество и размер гофр, фланцевых проточек и число болтов определены соответствием энергии и времени их деформации и обрыва энергии и времени, требуемых для пробивания обечайки корпуса.According to this method, a broken blade is turned by braking in the radial direction and is destroyed inside the body by subsequent oncoming blades into fragments with fragmentary dissipation of the kinetic energy of the broken blade and kept inside the body, while the body absorbs the kinetic energy of any of the broken off fragments without penetration. The housing for the implementation of this method includes a supra-blade shell containing a plurality of sections connected in pairs with each other by a flange-bolted connection and provided with a centering shoulder in the area of the bolted connection. Any of the sections of the shell is equipped with corrugations, the flanges are weakened by the grooves, and the centering shoulder is displaced into the zone that does not prevent the deformation of the flange in the event of a blade breakage, while the corrugations and grooves are arranged so that they allow the broken blade to be destroyed by subsequent oncoming blades and to hold the formed fragments in the shell. The number and size of corrugations, flange grooves and the number of bolts are determined by the correspondence of the energy and time of their deformation and breakage of the energy and time required to pierce the shell shell.

В связи с тем, что обрыв лопатки лопаточной машины, как правило, вызывается воздействием случайных эксплуатационных факторов (попадание на вход постороннего предмета, экстремальные метеоусловия, экстремальная неоднородность воздушного потока на входе и т.п.) размеры исходных оборвавшихся фрагментов лопатки, их кинетическая энергия и характер их контактного взаимодействия с корпусом имеют случайный характер. Это предопределяет назначение геометрических параметров корпуса: количество и размер гофр, фланцевых проточек и число болтов, обеспечивающих гарантированное удержание фрагмента оборвавшейся лопатки с максимально возможными размерами и кинетической энергией, что ведет к росту массы конструкции корпуса, неприемлемому для авиационного двигателя.Due to the fact that the breakage of a blade of a blade machine, as a rule, is caused by the influence of random operating factors (hitting a foreign object at the entrance, extreme weather conditions, extreme inhomogeneity of the air flow at the input, etc.) the dimensions of the original broken off blade fragments, their kinetic energy and the nature of their contact interaction with the body is random. This predetermines the purpose of the geometrical parameters of the hull: the number and size of corrugations, flange grooves and the number of bolts that ensure guaranteed retention of a fragment of a broken blade with the maximum possible dimensions and kinetic energy, which leads to an increase in the mass of the hull structure, unacceptable for an aircraft engine.

Наиболее близким предлагаемому устройству является устройство для локализации оборвавшейся лопатки вентилятора турбореактивного двигателя, состоящее из наружного силового непробиваемого и внутреннего пробиваемого соосных корпусов вентилятора. Кольцевая полость между ними заполнена неметаллическими композиционными материалами, контактирующими с оборвавшейся лопаткой и оказывающими сопротивление ее передвижению в окружном направлении (Патент РФ №2350765, опубл. 27.03.2009 г.).The closest to the proposed device is a device for localizing a broken blade of a fan of a turbojet engine, consisting of an external power impenetrable and internal punctured coaxial fan cases. The annular cavity between them is filled with non-metallic composite materials in contact with the broken blade and resisting its movement in the circumferential direction (RF Patent No. 2350765, publ. 03/27/2009).

В связи с недостаточной энергоемкостью неметаллических композиционных материалов, заполняющих кольцевую полость между наружным силовым непробиваемым и внутренним пробиваемым соосными корпусами вентилятора, для поглощения кинетической энергии оборвавшейся лопатки требуется значительное усиление наружного силового непробиваемого корпуса вентилятора с соответствующим увеличением его массы. Это является недостатком данного устройства.Due to the insufficient energy consumption of non-metallic composite materials filling the annular cavity between the outer power impenetrable and the inner punctured coaxial fan cases, to absorb the kinetic energy of the broken blade, a significant reinforcement of the outer power impenetrable fan case is required with a corresponding increase in its mass. This is a disadvantage of this device.

Предлагаемое изобретение направлено на создание устройства для локализации оборвавшейся лопатки вентилятора турбореактивного двигателя без утяжеления и усложнения его конструкции.The proposed invention is aimed at creating a device for localizing a broken blade of a fan of a turbojet engine without making it heavier and more complex.

Поставленная задача решается тем, что устройство для локализации оборвавшейся лопатки вентилятора турбореактивного двигателя состоит из наружного силового непробиваемого и внутреннего пробиваемого соосных корпусов вентилятора, соединенных между собой разъемным соединением, с кольцевой полостью между ними, расположенной над лопатками ротора вентилятора, в которую уложены эквидистантно ее поверхностям не менее чем три слоя полых металлических сфер, заполненных инертным газом.The problem is solved by the fact that the device for localizing a broken blade of a fan of a turbojet engine consists of an external power impenetrable and an internal pierceable coaxial fan casing, interconnected by a detachable connection, with an annular cavity between them, located above the fan rotor blades, in which they are laid equidistantly to its surfaces not less than three layers of hollow metal spheres filled with inert gas.

Как показывают расчетно-аналитические исследования, подтверждающие их результаты экспериментов и анализ последствий эксплуатационных обрывов фрагментов лопаток, существует прямая зависимость степени вторичного повреждения и количества поврежденных лопаток от размера оборвавшегося фрагмента лопатки (См. Р.П. Придорожный, А.В. Шереметьев, А.П. Зиньковский, "Расчетное определение последствий обрыва фрагмента лопатки на повреждение рабочего колеса и корпуса газотурбинного двигателя", ISSN 1727-0219, Вестник двигателестроения №2/2009).As shown by computational and analytical studies that confirm their experimental results and analysis of the consequences of operational breaks of blade fragments, there is a direct dependence of the degree of secondary damage and the number of damaged blades on the size of the broken blade fragment (See R.P. Pridorozhny, A.V. Sheremetyev, A. P. Zinkovsky, "Calculated determination of the consequences of a blade fragment breakage on damage to the impeller and the gas turbine engine casing", ISSN 1727-0219, Vestnik dvigatelestroyeniya №2 / 2009).

Как известно, при вращении ротора лопаточной машины на его лопатку воздействуют газодинамические усилия со стороны воздушного (газового) потока. В момент после обрыва фрагмент лопатки, движущийся с окружной скорость V, начинает ускоренное движение в радиальном направлении от оси вращения под действием центробежной силы инерции Fцб, величина которой определяется по формуле:As you know, when the rotor of a bladed machine rotates, gas-dynamic forces from the air (gas) flow act on its blade. At the moment after the break, a fragment of the blade, moving with a peripheral speed V, begins an accelerated movement in the radial direction from the axis of rotation under the action of the centrifugal force of inertia Fcb, the value of which is determined by the formula:

Fцб=m×ω²×R, гдеFtsb = m × ω ² × R, where

m - масса фрагмента лопатки,m is the mass of the blade fragment,

ω - частота вращения ротора лопаточной машины в момент обрыва фрагмента его лопатки,ω is the rotational speed of the rotor of the blade machine at the moment of breakage of a fragment of its blade,

R - радиус расположения центра масс фрагмента лопатки.R is the radius of the center of mass of the blade fragment.

При обрыве фрагмент лопатки пробивает внутренний пробиваемый корпус вентилятора и, потеряв часть своей кинетической энергии, входит под углом в кольцевую полость, где вступает во взаимодействие с расположенными в ней полыми металлическими сферами, заполненными инертным газом и имеющими высокий уровень упругопластических свойств. В результате этого взаимодействия изменяется траектория движения фрагмента лопатки относительно корпуса и максимально снижается уровень его кинетической энергии. Поглощение кинетической энергии фрагмента лопатки обеспечивается в процессе упругопластического деформирования и разрушения полых металлических сфер.In the event of a break, a fragment of a blade breaks through the inner punctured casing of the fan and, having lost part of its kinetic energy, enters the annular cavity at an angle, where it interacts with the hollow metal spheres located in it, filled with an inert gas and having a high level of elastoplastic properties. As a result of this interaction, the trajectory of movement of the blade fragment relative to the body changes and the level of its kinetic energy is maximally reduced. The absorption of the kinetic energy of a blade fragment is provided in the process of elastoplastic deformation and destruction of hollow metal spheres.

Ед=Еу+Еп+Ер, гдеUnit = Ey + En + Ep, where

Ед - энергия деформации полых металлических сфер,Unit is the deformation energy of hollow metal spheres,

Еу - энергия упругой деформации,Ey is the energy of elastic deformation,

Еп - энергия пластической деформации,Ep is the energy of plastic deformation,

Ер - энергия разрушения.Er is the energy of destruction.

При этом максимальный вклад в поглощение энергии обеспечивается пластической деформацией полых металлических сфер.In this case, the maximum contribution to the energy absorption is provided by plastic deformation of hollow metal spheres.

Расположение полых металлических сфер, заполненных инертным газом и уложенных в кольцевой полости эквидистантно ее поверхностям с фиксацией связующим материалом, например теплостойкой органосиликатной композицией позволяет обеспечить наиболее эффективное использование объема кольцевой полости и максимальное нагружение полых сфер для поглощения энергии фрагмента оборвавшейся лопатки, которое реализуется в условиях контакта между соседними сферами. Причем количество их слоев должно быть не менее трех, так как особенностью двух крайних слоев является частичный контакт с поверхностями кольцевой полости, а сферы, размещенные между крайними слоями, контактируют с окружающими их соседними сферами, вовлекая максимальное их число в процесс поглощения кинетической энергии фрагмента оборвавшейся лопатки, что позволяет при попадании в кольцевую полость предотвратить процесс его движения к наружному корпусу. При количестве слоев менее трех снижается их энергоемкость и требуется значительное усиление наружного силового непробиваемого корпуса вентилятора.The arrangement of hollow metal spheres filled with an inert gas and laid in the annular cavity equidistantly to its surfaces with fixation with a binder material, for example, a heat-resistant organosilicate composition, allows for the most efficient use of the annular cavity volume and maximum loading of the hollow spheres to absorb the energy of a broken blade fragment, which is realized under contact conditions between adjacent spheres. Moreover, the number of their layers should be at least three, since the feature of the two outer layers is partial contact with the surfaces of the annular cavity, and the spheres located between the outer layers contact the surrounding neighboring spheres, involving their maximum number in the process of absorbing the kinetic energy of the fragment of the broken blades, which makes it possible, when it enters the annular cavity, to prevent the process of its movement to the outer body. When the number of layers is less than three, their energy consumption decreases and a significant reinforcement of the external power impenetrable fan casing is required.

Таким образом, предлагаемое устройство позволяет обеспечить максимальное поглощение кинетической энергии фрагмента оторвавшейся лопатки и тем самым исключить необходимость усиления и, соответственно, утяжеления наружного корпуса для предотвращения его пробивания, а также упростить конструкцию.Thus, the proposed device allows for maximum absorption of the kinetic energy of a fragment of a detached blade and thereby eliminates the need to strengthen and, accordingly, weight the outer casing to prevent its penetration, and to simplify the design.

Толщину стенок и диаметр сфер выбирают из условия локализации оборвавшейся лопатки или ее фрагмента в кольцевой полости. При выборе металла полых сфер необходимо руководствоваться ожидаемой температурой конструкции при штатной ее работе, т.е. без обрыва лопатки. Для обеспечения минимальной массы полых сфер необходимо выбирать металлы с минимальной плотностью и высоким уровнем условного предела текучести

. Для повышения уровня упругопластических свойств полых сфер их внутреннюю полость заполняют инертным газом под повышенным давлением.The thickness of the walls and the diameter of the spheres are selected on the basis of the localization of the broken blade or its fragment in the annular cavity. When choosing a metal of hollow spheres, it is necessary to be guided by the expected temperature of the structure during its regular operation, i.e. without breaking the scapula. To ensure the minimum mass of hollow spheres, it is necessary to select metals with a minimum density and a high level of conventional yield stress.

... To increase the level of elastoplastic properties of hollow spheres, their inner cavity is filled with an inert gas under increased pressure.

На чертежах показаны: фиг. 1 - продольный разрез устройства для локализации оборвавшейся лопатки вентилятора турбореактивного; фиг. 2 - расположение полых сфер в кольцевой полости.The drawings show: FIG. 1 is a longitudinal section of a device for localizing a broken blade of a turbojet fan; fig. 2 - the location of the hollow spheres in the annular cavity.

Вентилятор имеет ротор 1 с лопатками 2, наружный силовой непробиваемый корпус 3 и соосный ему внутренний пробиваемый корпус 4. Корпусы 3 и 4 соединены между собой разъемным соединением (не показано). Внутренняя часть корпуса 4 имеет абразивно-изнашиваемое покрытие 5 на поверхности, обращенной к торцам лопаток 2. Между поверхностью внутренней части корпуса 4 и торцем лопатки 2 ротора 1 выдерживается зазор Р. Наружный силовой непробиваемый корпус 3 и соосный ему внутренний пробиваемый корпус 4 образуют кольцевую полость 6 над лопатками 2 ротора 1. В кольцевой полости уложены полые металлические сферы 7 с наружным диаметром Д и толщиной стенки Б со связующим материалом 8 между ними в виде теплостойкой органосиликатной композиции типа ОС- 82-05 по ТУ 84-725-78, уложенными упорядоченными слоями эквидистантно поверхностям кольцевой полости 6, с количеством слоев не менее трех. Внутренняя полость 9 металлических сфер 7 заполнена инертным газом под повышенным давлением.The fan has a rotor 1 with blades 2, an outer power impenetrable casing 3 and an inner pierceable casing coaxial to it 4. The casings 3 and 4 are interconnected by a detachable connection (not shown). The inner part of the body 4 has an abrasive-wear coating 5 on the surface facing the ends of the blades 2. Between the surface of the inner part of the body 4 and the end of the blade 2 of the rotor 1, a gap is maintained P. The outer power impenetrable body 3 and the inner punctured body 4 coaxial to it form an annular cavity 6 above the blades 2 of the rotor 1. Hollow metal spheres 7 with an outer diameter D and a wall thickness B with a binder 8 between them in the form of a heat-resistant organosilicate composition of the OS-82-05 type according to TU 84-725-78 are laid in the annular cavity, stacked ordered layers equidistant to the surfaces of the annular cavity 6, with the number of layers not less than three. The inner cavity 9 of the metal spheres 7 is filled with an inert gas under increased pressure.

При обрыве фрагмент лопатки 2 ротора 1 пробивает внутренний пробиваемый корпус 4 с покрытием 5 и, потеряв часть своей кинетической энергии, входит под углом в кольцевую полость 6, образованную корпусами 3 и 4. Затем он вступает во взаимодействие с расположенными в ней слоями полых металлических сфер 7 зафиксированных связующим материалом 8. Изменение траектории движения и поглощение кинетической энергии фрагмента лопатки 2 обеспечивается в процессе упругопластического деформирования и разрушения полых металлических сфер 7. Инертный газ в их внутренних полостях 9 на стадии деформирования поглощает часть энергии, а на стадии их разрушения - выделяет ее с воздействием на фрагмент лопатки с изменением его траектории. В результате обеспечивается локализация оборвавшейся лопатки вентилятора турбореактивного двигателя в кольцевой полости, образованной наружным силовым непробиваемым и внутренним пробиваемым соосными корпусами вентилятора.In the event of a break, a fragment of the blade 2 of the rotor 1 penetrates the inner pierceable housing 4 with the coating 5 and, having lost some of its kinetic energy, enters at an angle into the annular cavity 6 formed by the bodies 3 and 4. Then it interacts with the layers of hollow metal spheres located in it 7 fixed with a binder 8. A change in the trajectory of motion and absorption of the kinetic energy of a fragment of a blade 2 is provided in the process of elastoplastic deformation and destruction of hollow metal spheres 7. Inert gas in their internal cavities 9 at the stage of deformation absorbs part of the energy, and at the stage of their destruction - releases it with the impact on the fragment of the blade with a change in its trajectory. As a result, localization of a broken blade of a fan of a turbojet engine is provided in an annular cavity formed by an external power impenetrable and internal punctured coaxial fan cases.

Claims

A device for localizing a broken blade of a fan of a turbojet engine, consisting of an external power impenetrable and an internal pierceable coaxial fan casing, connected by a detachable connection with an annular cavity between them, located above the fan rotor blades, characterized in that the annular cavity is not laid equidistantly to its surfaces less than three layers of hollow metal spheres filled with an inert gas under elevated pressure, ensuring contact between adjacent spheres.