АБРАЗИВНО-ИЗНАШИВАЕМОЕ УСТРОЙСТВО, РАЗМЕЩАЕМОЕ НА КОЖУХЕ ВЕНТИЛЯТОРА ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2006 года по МПК F01D25/24 

Изобретение относится к технической области газотурбинных двигателей, в частности к области кожухов вентилятора газотурбинного двигателя.

В случае авиационных газотурбинных двигателей снабженный системой лопаток диск вентилятора располагается на части ротора во входной части двигателя и предшествует снабженным системой лопаток дискам компрессора. Этот снабженный системой лопаток диск вентилятора позволяет увеличить скорость движения потока воздуха перед его входом в следующие за ним ступени компрессора. Указанный снабженный системой лопаток диск вентилятора подвержен механическим воздействиям в результате возможного попадания в двигатель посторонних предметов, таких, например, как куски льда, птицы и т.п. В результате лопаточный диск вентилятора может деформироваться, вызывая при этом несбалансированность на опорном валу вентилятора и создавая циклические нагрузки и вибрации, передаваемые опорными подшипниками вала вентилятора на те неподвижные части газотурбинного двигателя, с которыми связаны эти опорные подшипники.

Для устранения передачи вышеуказанных циклических нагрузок и вибраций используется, в частности, раскрытая в патенте FR 2752024, установка так называемого "плавкого" или легко разрушаемого подшипника. Согласно указанному патенту опорный подшипник вала вентилятора соединен с неподвижными частями газотурбинного двигателя при помощи относительно слабых механических связей, подверженных разрушению по мере достижения нагрузкой, воздействующей на лопатки вентилятора, некоторого предельного значения. Эти связи пониженной механической прочности могут представлять собой, например, винтовые или резьбовые связи. После того как такая ослабленная связь оказывается разрушенной, снабженный системой лопаток диск вентилятора продолжает свободно вращаться, что исключает передачу усилий на неподвижные части газотурбинного двигателя. Ось вращения снабженного системой лопаток диска вентилятора совершает при этом, однако, колебания относительно неподвижной оси вращения собственно газотурбинного двигателя. Колебания диска вентилятора порождают колебания лопаток, которые при этом с большими усилиями касаются кожуха вентилятора. Таким образом, этот кожух вентилятора подвергается мощному механическому воздействию и даже может быть разрушен под воздействием ударов лопаток.

Для устранения вышеуказанных негативных последствий были разработаны панели, приклеиваемые к внутренней стороне кожуха вентилятора, причем эти панели представляют собой сотовую конструкцию помех, заполненную абразивно-изнашиваемым материалом, приклеенным к стеклоткани, которая сама, в свою очередь, приклеена к изготовленной из алюминия сотовой панели, причем вся эта система приклеивается к кожуху вентилятора. Такая технология является достаточно дорогостоящей, а восстановление и ремонт таких конструкций должны выполняться в специализированных мастерских, в частности в случае кожухов вентилятора, имеющих специфическую форму, например коническую форму.

Задачей предлагаемого изобретения является улучшение описанной выше ситуации.

Поставленная задача решается тем, что в газотурбинном двигателе с осью вращения, содержащем кожух вентилятора и собственно вентилятор с подвижными лопатками, причем между внутренней поверхностью кожуха и свободными концами лопаток вентилятора предусмотрен зазор, подшипник вентилятора соединен с неподвижными частями газотурбинного двигателя при помощи связей, разрушаемых при воздействии определенной нагрузки на лопатки вентилятора, а ось вращения вентилятора совершает колебания относительно оси вращения собственно газотурбинного двигателя, согласно изобретению кожух вентилятора содержит слой термически формуемой пены, размещенный против свободных концов лопаток вентилятора, приклеенный к внутренней поверхности кожуха и располагающийся, по меньшей мере, на части протяженности зазора между поверхностью кожуха и свободными концами лопаток, причем указанный слой термически формуемой пены покрыт слоем абразивно-изнашиваемого материала, толщина которого выбирается такой, чтобы свободные концы лопаток вентилятора не достигали упомянутого слоя пены в процессе нормального функционирования газотурбинного двигателя, и чтобы в случае избыточной нагрузки на вентилятор свободные концы лопаток вентилятора фрагментировали, по меньшей мере, частично, совокупность упомянутых слоев абразивно-изнашиваемого материала и термически формуемой пены.

Целесообразно, чтобы толщина слоя термически формуемой пены и слоя абразивно-изнашиваемого материала выбиралась из расчета наличия некоторого остаточного зазора между свободными концами лопаток вентилятора и слоем абразивно-изнашиваемого материала в процессе нормального функционирования двигателя, причем указанный остаточный зазор должен быть достаточно малым для того, чтобы ограничить прохождение воздуха с тем, чтобы сохранить динамическое течение потока воздуха, траектория движения которого задается лопатками вентилятора.

Предпочтительно, чтобы слой термически формуемой пены был образован предварительно отформованными секторами.

Полезно, чтобы слой термически формуемой пены представлял собой слой пены полиакрилового имида.

Целесообразно, чтобы слой абразивно-изнашиваемого материала представлял собой слой эпоксидной смолы с наполнителем в виде стеклянных шариков.

Целесообразно также, чтобы слой абразивно-изнашиваемого материала представлял собой слой силикона с наполнителем в виде стеклянных шариков.

Полезно, чтобы слой абразивно-изнашиваемого материала сцеплялся, непосредственно или косвенно, со слоем термически формуемой пены.

В дальнейшем изобретение поясняется описанием вариантов его осуществления со ссылками на фигуры чертежей, в числе которых:

Фиг.1 представляет собой схематический вид в разрезе передней части газотурбинного двигателя, содержащей вентилятор, связанный при помощи плавкого или разрушаемого подшипника с неподвижными частями данного двигателя,

Фиг.2А представляет собой схематический вид в разрезе входной части газотурбинного двигателя, содержащей пример реализации кожуха вентилятора в соответствии с существующим уровнем техники,

Фиг.2В представляет собой схематический вид в разрезе входной части газотурбинного двигателя, содержащей пример реализации кожуха вентилятора в соответствии с предлагаемым изобретением,

Фиг.3 представляет собой увеличенный вид части чертежа, показанного на фиг.2В, иллюстрирующий взаимодействие между лопаткой вентилятора и кожухом вентилятора в соответствии с предлагаемым изобретением.

Приведенные в приложении фигуры в основном содержат элементы вполне определенного характера. Вследствие этого они могут не только служить для лучшего понимания приведенного ниже описания, но также и содействовать, в случае необходимости, определению предлагаемого изобретения.

На фиг.1 представлен схематический вид газотурбинного двигателя Т в разрезе по оси его вращения. Этот газотурбинный двигатель содержит вентилятор V, позволяющий разогнать поток воздуха перед его входом в ступени компрессора С и затем в ступени компрессора высокого давления СС. Вентилятор V содержит диск, снабженный лопатками 17, прикрепленными при помощи болтового соединения к переднему концу ВА вала вентилятора AV, установленного на переднем опорном подшипнике PAV и заднем опорном подшипнике PAR, как это подробно описано в патентной заявке FR 2752024. Передний и задний опорные подшипники вала вентилятора удерживаются опорными деталями, связанными с неподвижной частью данного газотурбинного двигателя (то есть с его статором), причем, по меньшей мере, один из этих подшипников присоединен при помощи достаточно хрупких механических связей с возможностью разрушения последних в случае возникновения чрезмерной нагрузки на лопатки вентилятора. Такой подшипник называют "плавким" подшипником. Эти связи, обладающие пониженной механической прочностью, могут представлять собой связи при помощи болта, поперечное сечение которого может быть, например, уменьшено на некоторой части его длины. После разрушения такой связи снабженный системой лопаток диск вентилятора продолжает свободно вращаться, что исключает передачу усилий на неподвижные части данного газотурбинного двигателя. Однако ось вращения снабженного системой лопаток диска вентилятора колеблется относительно фиксированной оси вращения собственно газотурбинного двигателя. Эти колебания оси вентилятора приводят к возникновению колебаний его лопаток, которые при этом начинают задевать за кожух вентилятора. Таким образом, кожух подвергается значительным механическим воздействиям и даже может быть разрушен в результате этих ударов.

Как известно специалистам в данной области техники, на фиг.2А схематически представлена часть газотурбинного двигателя Т, содержащая вентилятор V, вслед за которым располагается компрессор С. Эта часть газотурбинного двигателя содержит кожух 10, образующий часть статора S вентилятора V, и кожух, образующий часть ротора R этого газотурбинного двигателя. Вал роторной части газотурбинного двигателя приводится во вращательное движение при помощи турбины, располагающейся по потоку позади компрессора. Ось вращения обозначена позицией В. Наружная поверхность кожуха роторной части и внутренняя поверхность кожуха статорной части определяют "канал течения" для потока воздуха. На роторе R закреплен снабженный системой лопаток диск 18 вентилятора V, содержащий подвижные лопатки 17. Этот снабженный системой лопаток диск вентилятора располагается во входной части двигателя и предшествует снабженным системами лопаток дискам компрессора. На фиг.2А предполагается, что вал вентилятора удерживается при помощи, по меньшей мере, одного переднего подшипника PAV, представляющего собой так называемый плавкий подшипник. Для противодействия ударам лопаток вентилятора о поверхность кожуха 10 были разработаны панели 3, приклеиваемые к внутренней поверхности этого кожуха 10 вентилятора, причем эти панели имеют сотовую конструкцию помех, заполненную абразивно-изнашиваемым материалом, приклеенным к стеклоткани, которая сама, в свою очередь, приклеивается к алюминиевой сотовой конструкции, и вся эта система приклеивается к кожуху вентилятора. Толщина этих панелей позволяет сохранить канал течения потока воздуха таким образом, чтобы при нормальном функционировании концы лопаток диска вентилятора не входили в механический контакт с этими панелями. Технология изготовления панелей, схематически показанных на фиг.2А, является достаточно дорогостоящей, а ремонт и установка панелей на место должна осуществляться в специально оборудованных мастерских. Кроме того, используемые здесь материалы не являются изотропными, и изготовление сотовой конструкции для кожуха специфической формы (например, для конического кожуха) оказывается более сложным вследствие механических характеристик этой конструкции, и сотовые структуры подвергаются продольному изгибу.

Предлагаемое изобретение позволяет устранить перечисленные выше недостатки.

Как и на фиг.2А, на фиг.2В схематически представлена часть газотурбинного двигателя Т, содержащая вентилятор V, вслед за которым располагается компрессор С. На роторе R закреплен снабженный системой лопаток диск 18 вентилятора V, содержащий лопатки 17. Здесь будут даваться также ссылки на фиг.3, на которой более подробно представлен кожух 10, располагающийся против свободных концов лопаток снабженного системой лопаток диска 18. В примере реализации, показанном на фиг.2В, кожух 10 имеет в целом форму усеченного конуса, ось симметрии которого совпадает с осью вращения В данного газотурбинного двигателя. В направлении спереди назад, то есть в направлении течения потока воздуха или же в направлении от входа вентилятора к входу компрессора, кожух 10 вентилятора V содержит первую коническую часть 20, связанную с кольцом диаметрального разъединения 21, которое само, в свою очередь, связано со второй конической частью 22. Внутренняя поверхность первой конической части 20 ограничивает канал течения потока воздуха. Свободные концы лопаток вентилятора размещаются против внутренней поверхности второй конической части 22 и отделены от этой внутренней поверхности некоторым внутренним кольцевым пространством 15. При этом между внутренней поверхностью кожуха вентилятора и свободными концами лопаток предусмотрен некоторый зазор е, составляющий, например, 20 нм.

К, по меньшей мере, части внутренней стенки второй конической части приклеен при помощи адгезивной пленки 12 слой термически формуемой пены 19. В примере реализации, представленном на фиг.2В и 3, слой термически формуемой пены имеет форму, дополняющую форму упомянутого внутреннего кольцевого пространства таким образом, чтобы заполнить это пространство. Предпочтительным образом этот слой пены имеет осевую ширину lg, по меньшей мере, соответствующую осевой ширине lc вдоль оси В свободных концов лопаток 17 вентилятора V. Этот слой термически формуемой пены 19 покрыт слоем абразивно-изнашиваемого материала 14, по меньшей мере, на осевой ширине lc свободных концов лопаток. Толщина этого слоя абразивно-изнашиваемого материала при этом такова, что свободные концы лопаток вентилятора не достигают упомянутого слоя пены в процессе нормального функционирования двигателя. Предпочтительным образом слой термически формуемой пены, покрытый абразивно-изнашиваемым материалом, полностью заполняет упомянутое внутреннее пространство и подвергается механической обработке таким образом, чтобы в нем не существовало разрывов с внутренней поверхностью первой конической части, причем таким образом сохраняется канал течения потока воздуха. В частности, толщину слоя абразивно-изнашиваемого материала выбирают такой, чтобы существовал некоторый зазор между свободными концами лопаток вентилятора и слоем этого абразивно-изнашиваемого материала в процессе нормального функционирования двигателя, причем этот зазор является достаточно малым для того, чтобы ограничить прохождение через него воздуха с целью сохранения динамики течения потока воздуха, траектория движения которого задается лопатками вентилятора. Позади этого слоя по потоку могут быть размещены акустические панели 13 таким образом, чтобы сохранить непрерывность канала течения потока воздуха.

В примере осуществления изобретения, представленном на фиг.2В и 3, ширина lg превышает ширину lc, и внутреннее кольцевое пространство 15 ограничено передним по потоку упором.

Возможны и другие варианты осуществления: например, кожух вентилятора может быть выполнен в виде единой детали (имеющей коническую, цилиндрическую или какую-либо другую форму) с вращательной симметрией, покрытой на своей внутренней поверхности защитным экраном, образованным слоем термически формуемой пены, которая сама, в свою очередь, частично покрыта абразивно-изнашиваемым материалом. Как и в предыдущем случае, эти слои термически формуемой пены и абразивно-изнашиваемого материала, называемые абразивно-изнашиваемыми слоями "большого зазора", размещены против свободных концов лопаток вентилятора. При этом в кожухе вентилятора предусмотрен некоторый зазор порядка 20 нм между его внутренней поверхностью и свободными концами лопаток таким образом для размещения упомянутых слоев, прикрепленных к внутренней поверхности этого кожуха. Канал течения потока воздуха сохраняется путем размещения, спереди и сзади по потоку от упомянутых защитных слоев, например акустических панелей.

Защита кожуха в случае разрушения связи пониженной механической прочности у так называемого плавкого подшипника осуществляется при помощи экрана, образованного термически формуемой пеной и абразивно-изнашиваемым материалом. В упомянутом выше случае подшипники вала вентилятора оказываются больше не связанными с неподвижными частями статора газотурбинного двигателя, и ось вращения вентилятора совершает колебания относительно оси вращения В собственно двигателя. При этом свободные концы лопаток начинают выдалбливать экран путем дробления или фрагментации материала. Предпочтительным образом наличие слоя термически формуемой пены обеспечивает меньшую устойчивость по отношению к снятию материала по сравнению со слоем абразивно-изнашиваемого материала, что позволяет обеспечить распыление совокупности этих абразивно-изнашиваемых слоев "большого зазора" в случае разрушения элементов подшипника, имеющих пониженную механическую прочность.

Для облегчения установки слоя термически формуемой пены этот слой формируется из предварительно отформованных секторов. В качестве примера осуществления слой термически формуемой пены представляет собой слой пены полиакрилового имида. Также в качестве примера слой абразивно-изнашиваемого материала может быть изготовлен из эпоксидной смолы с наполнителем в виде стеклянных шариков, из силикона с наполнителем в виде стеклянных шариков или из любого другого материала, обладающего требуемыми в данном случае свойствами истирания.

Слой абразивно-изнашиваемого материала сцепляется со слоем термически формуемой пены в результате своих адгезивных свойств и в результате диффузии в ячейки используемой в данном случае термически формуемой пены.

Благодаря этим абразивно-изнашиваемым слоям "большого зазора" кожух вентилятора не повреждается в случае анормального функционирования (например, в случае попадания в двигатель постороннего тела). Использование термически формуемой пены позволяет упростить процесс формования, причем механическая обработка этого слоя может выполняться перед формованием, например, для конической части кожуха вентилятора или эволютивного профиля. Ремонт и восстановление абразивно-изнашиваемых слоев "большого зазора" может осуществляться без использования технических средств, требующих специально оборудованной мастерской, что обеспечивает выигрыш во времени и позволяет сократить затраты.

Толщина этих слоев позволяет сохранить канал течения потока воздуха, поскольку в процессе нормального функционирования свободные концы лопаток диска вентилятора не входят в механический контакт с этими слоями.

Предлагаемое изобретение не ограничивается описанными выше в качестве примеров способами выполнения устройства фиксации, но охватывает все варианты, которые могут быть рассмотрены специалистом в данной области техники в рамках приведенной ниже формулы предлагаемого изобретения.

Предлагаемое изобретение может применяться не только к кожуху конической формы, но может также быть применено в случае любых других форм кожуха вентилятора, например, в случае цилиндрической формы кожуха.

Изобретение относится к газотурбинному двигателю с осью вращения В, содержащему кожух вентилятора и собственно вентилятор с подвижными лопатками. Между внутренней поверхностью кожуха и свободными концами лопаток вентилятора предусмотрен зазор. Подшипник вентилятора соединен с неподвижными частями газотурбинного двигателя при помощи связей, которые в случае определенной нагрузки на лопатки вентилятора разрушаются, и ось вращения вентилятора совершает колебания вокруг оси вращения В газотурбинного двигателя. Кожух вентилятора содержит слой термически формуемой пены, размещенный против свободных концов лопаток вентилятора, приклеенный к внутренней поверхности кожуха и располагающийся на, по меньшей мере, части протяженности упомянутого зазора. Слой термически формуемой пены частично покрыт слоем абразивно-изнашиваемого материала, причем толщину слоя абразивно-изнашиваемого материала выбирают такой, что свободные концы лопаток вентилятора не достигают упомянутого слоя пены в процессе нормального функционирования газотурбинного двигателя и, в случае избыточной нагрузки на вентилятор, свободные концы лопаток вентилятора фрагментируют, по меньшей мере частично, упомянутый слой абразивно-изнашиваемого материала. Такое выполнение газотурбинного двигателя и кожуха вентилятора позволит предотвратить повреждаемость кожуха вентилятора в случае анормального функционирования двигателя. 17 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Газотурбинный двигатель с осью вращения В, содержащий кожух (10) вентилятора и вентилятор (V) с подвижными лопатками (17), причем между внутренней поверхностью кожуха и свободными концами лопаток вентилятора предусмотрен зазор, подшипник вентилятора соединен с неподвижными частями газотурбинного двигателя при помощи связей, разрушаемых при воздействии определенной нагрузки на лопатки вентилятора, а ось вращения вентилятора совершает колебания вокруг оси вращения В собственно газотурбинного двигателя, отличающийся тем, что кожух вентилятора содержит слой термически формуемой пены (12), размещенный против свободных концов лопаток (17) вентилятора (V), приклеенный к внутренней поверхности кожуха и располагающийся на, по меньшей мере, части протяженности упомянутого зазора, причем указанный слой термически формуемой пены (12) частично покрыт слоем абразивно изнашиваемого материала (14), причем толщина слоя абразивно изнашиваемого материала (14) выбирается такой, что свободные концы лопаток вентилятора не достигают упомянутого слоя пены в процессе нормального функционирования газотурбинного двигателя, причем в случае избыточной нагрузки на вентилятор свободные концы лопаток вентилятора фрагментируют, по меньшей мере, частично, совокупность упомянутых слоев абразивно изнашиваемого материала (14) и термически формуемой пены (12).2. Газотурбинный двигатель по п.1, отличающийся тем, что толщина слоя термически формуемой пены и слоя абразивно изнашиваемого материала выбирается из расчета наличия остаточного зазора между свободными концами лопаток вентилятора и слоем абразивно изнашиваемого материала в процессе нормального функционирования двигателя, причем этот остаточный зазор является достаточно малым для того, чтобы ограничить прохождение через него воздуха с тем, чтобы сохранить динамическое течение потока воздуха, траектория движения которого задается лопатками вентилятора.3. Газотурбинный двигатель по одному из пп.1 и 2, отличающийся тем, что слой термически формуемой пены образован предварительно отформованными секторами.4. Газотурбинный двигатель по одному из пп.1 и 2, отличающийся тем, что слой термически формуемой пены представляет собой слой пены полиакрилового имида.5. Газотурбинный двигатель по п.3, отличающийся тем, что слой термически формуемой пены представляет собой слой пены полиакрилового имида.6. Газотурбинный двигатель по одному из пп.1, 2 и 5, отличающийся тем, что слой абразивно изнашиваемого материала представляет собой слой эпоксидной смолы с наполнителем в виде стеклянных шариков.7. Газотурбинный двигатель по п.3, отличающийся тем, что слой абразивно изнашиваемого материала представляет собой слой эпоксидной смолы с наполнителем в виде стеклянных шариков.8. Газотурбинный двигатель по п.4, отличающийся тем, что слой абразивно изнашиваемого материала представляет собой слой эпоксидной смолы с наполнителем в виде стеклянных шариков.9. Газотурбинный двигатель по одному из пп.1, 2, 5, 7 и 8, отличающийся тем, что слой абразивно изнашиваемого материала представляет собой слой силикона с наполнителем в виде стеклянных шариков.10. Газотурбинный двигатель по п.3, отличающийся тем, что слой абразивно изнашиваемого материала представляет собой слой силикона с наполнителем в виде стеклянных шариков.11. Газотурбинный двигатель по п.4, отличающийся тем, что слой абразивно изнашиваемого материала представляет собой слой силикона с наполнителем в виде стеклянных шариков.12. Газотурбинный двигатель по п.6, отличающийся тем, что слой абразивно изнашиваемого материала представляет собой слой силикона с наполнителем в виде стеклянных шариков.13. Газотурбинный двигатель по одному из пп.1, 2, 5, 7, 8, 10-12, отличающийся тем, что слой абразивно изнашиваемого материала сцепляется, непосредственно или косвенно, со слоем термически формуемой пены.14. Газотурбинный двигатель по п.3, отличающийся тем, что слой абразивно изнашиваемого материала сцепляется, непосредственно или косвенно, со слоем термически формуемой пены.15. Газотурбинный двигатель по п.4, отличающийся тем, что слой абразивно изнашиваемого материала сцепляется, непосредственно или косвенно, со слоем термически формуемой пены.16. Газотурбинный двигатель по п.6, отличающийся тем, что слой абразивно изнашиваемого материала сцепляется, непосредственно или косвенно, со слоем термически формуемой пены.17. Газотурбинный двигатель по п.9, отличающийся тем, что слой абразивно изнашиваемого материала сцепляется, непосредственно или косвенно, со слоем термически формуемой пены.18. Кожух вентилятора, являющийся элементом газотурбинного двигателя, в соответствии с одним из пп.1-17, содержащий слой термически формуемой пены, размещаемый против свободных концов лопаток (17) вентилятора (V) и приклеиваемый к внутренней поверхности кожуха, причем указанный слой термически формуемой пены частично покрыт слоем абразивно изнашиваемого материала, толщину которого выбирают такой, что свободные концы лопаток вентилятора не достигают упомянутого слоя пены в процессе нормального функционирования газотурбинного двигателя, причем в случае избыточной нагрузки на вентилятор свободные концы лопаток вентилятора фрагментируют, по меньшей мере, частично, совокупность упомянутых слоев абразивно изнашиваемого материала и термически формуемой пены.