ЛОПАТКА СТАТОРА С ИЗМЕНЯЮЩИМСЯ УГЛОМ УСТАНОВКИ, ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ, СОДЕРЖАЩИЙ ТАКУЮ ЛОПАТКУ, И СПОСОБ РЕМОНТА ТАКОЙ ЛОПАТКИ Российский патент 2011 года по МПК F01D17/16 F04D29/56 F01D9/02 

Настоящее изобретение относится к области газотурбинных двигателей и, в частности, относится к лопаткам статора с изменяющимся углом установки.

Поворотная система, такая как лопатки спрямляющего аппарата с изменяющимся углом установки для компрессора газотурбинного двигателя, содержит детали, подвижные относительно друг друга.

Известна лопатка статора с изменяющимся углом установки, установленная в картере газотурбинного двигателя и содержащая перо и поворотный шкворень, например из документа US 5039277.

На фиг.1 и 2 схематично показана лопатка 1 спрямляющего аппарата с изменяющимся углом установки, установленная с возможностью поворота в картере 3 газотурбинного двигателя. Лопатка содержит перо 12, площадку 13 и стержень, образующий поворотный шкворень 14. Поворотный шкворень 14 устанавливают в радиальном расточном отверстии или гнезде, выполненном в картере 3, при помощи различных подшипников. Один из подшипников выполнен в виде втулки, находящейся в скользящем контакте со стержнем, образующим поворотный шкворень 14, непосредственно или через хомут 14'. Втулка 4, неподвижно соединенная с картером в дне гнезда, выполненного в стенке этого картера, находится в контакте с площадкой 13 через кольцевой выступ 4'. Противоположная втулке сторона площадки 13 обдувается газовым потоком. Лопатка удерживается в своем гнезде шайбой 15. Рычаг 16, приводимый в движение не показанными на чертежах механизмами, управляет поворотом лопатки вокруг оси XX стержня для ее установки в требуемое положение относительно воздушного потока, обдувающего лопатку. Относительные движения происходят за счет скольжения контактных поверхностей, в данном случае стержня и площадки с втулками. Во время работы двигателя напряжения, воздействующие на детали, приводят к износу контактных поверхностей, что может вызвать ухудшение функциональных характеристик системы.

В случае указанного выше варианта монтажа можно отметить, что износ площадки происходит на уровне кольцевого выступа 4'. Зона износа сначала принимает форму бороздки, затем распространяется на всю площадку. На фиг.3 показан такой износ лопатки. На чертеже показана бороздка 13' износа площадки 13.

На сегодняшний день для ремонта этих лопаток не существует никаких удовлетворительных технических решений.

В основу изобретения поставлена задача разработки простого в осуществлении технического решения для ремонта.

Техническое решение в соответствии с настоящим изобретением должно также применяться на новых лопатках перед их установкой для предупреждения износа детали. Решение должно также способствовать снижению износа площадок и увеличить время между периодическими операциями технического обслуживания.

В соответствии с изобретением изготавливают лопатку с изменяющимся углом установки, устанавливаемую в картере газотурбинного двигателя, содержащую перо, площадку и поворотный шкворень, отличающуюся тем, что лопатка содержит накладку, устанавливаемую на площадке и опирающуюся на стенку картера, при этом устанавливаемая накладка стопорится во вращении относительно оси поворотного шкворня и содержит, по меньшей мере, одну стопорную лапку, взаимодействующую комплементарной поверхностью, выполненной на боковой стороне площадки.

Например, лапка содержит плоский участок поверхности, параллельный или наклонный относительно оси поворотного шкворня и взаимодействующий с комплементарной поверхностью площадки.

Согласно другому отличительному признаку лопатка содержит средство центровки накладки относительно оси поворотного шкворня, выполненное между площадкой и накладкой. В частности, средство центровки представляет собой кольцевой уступ, выполненный путем механической обработки на внутренней поверхности накладки. Оно может быть также выполнено в виде бортика на периферии накладки, взаимодействующего с краем площадки, если позволяет пространство между площадкой и гнездом картера. Эти два средства указаны в качестве примера, и можно использовать другие средства.

Согласно другому отличительному признаку, поскольку поворотный шкворень содержит кольцевой хомут, образующий подшипник, то устанавливаемая накладка содержит центральное отверстие, достаточно большое, чтобы накладка могла пройти вдоль поворотного шкворня и вдоль узла, состоящего из шкворня и хомута.

Согласно другому отличительному признаку поверхность накладки, входящая в контакт с картером, содержит участок соответствующей твердости. В частности, поверхность содержит покрытие из карбида вольфрама или другого эквивалентного материала, покрытие из керамики на основе оксида алюминия или двуоксида циркония, напаянное в одном или нескольких секторах, или напрессованное покрытие на основе оксида алюминия, или поверхность обрабатывают дробеструйным способом мелкой или крупной дробью или другим способом, или в качестве материала накладки используют сплав, применяемый для изготовления болтов (например, наклепанный сплав на основе никеля) или для изготовления подшипников (например, сверхтвердые стали), в силу его хороших фрикционных свойств для сведения к минимуму износа накладки/втулки.

Изобретение также относится к газотурбинному двигателю, содержащему, по меньшей мере, один ряд лопаток статора с изменяющимся углом установки, образующих спрямляющий аппарат, причем указанные лопатки установлены в картере и оборудованы вышеуказанной накладкой, взаимодействующей с втулкой, установленной в гнезде картера.

Изобретение также относится к способу ремонта лопатки с изменяющимся углом установки, площадка которой изнашивается в результате трения с установленной втулкой. Способ содержит этапы, на которых изношенную часть лопатки подвергают механической обработке, а затем на ней устанавливают накладку для получения вышеуказанной лопатки.

Далее следует описание различных вариантов осуществления настоящего изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

Фиг.1 изображает схематичный вид части лопатки статора с изменяющимся углом установки, показанной в разрезе по плоскости, параллельной оси двигателя, и установленной в картере компрессора;

Фиг.2 - увеличенный вид зоны контакта площадки с втулкой картера;

Фиг.3 - вид лопатки статора со следами износа;

Фиг.4-6 изображают схематичный вид лопатки статора, показанной соответственно спереди, сбоку и сверху и содержащей накладку в соответствии с настоящим изобретением;

Фиг.7 и 8 - вариант выполнения накладки, устанавливаемой на площадку лопатки, вид спереди и сбоку;

Фиг.9-11 - вид лопатки статора соответственно спереди, сбоку и сверху, оборудованной накладкой согласно другому варианту выполнения настоящего изобретения;

Фиг.12 и 13 - вид лопатки статора сбоку и сверху, оборудованной накладкой согласно другому варианту выполнения настоящего изобретения;

Фиг.14 изображает частичный вид лопатки статора с изменяющимся углом установки перед ремонтом.

Лопатка статора показана схематично. Она содержит перо 12, обдуваемое газами, площадку 13, обеспечивающую непрерывность стенки картера, охватывающей газовоздушный тракт, и поворотный шкворень 14, поворачивающийся вокруг оси и управляющий поворотом лопатки. Согласно этому варианту выполнения лопатка содержит также хомут, образующий подшипник поворотного шкворня. Согласно изобретению, в соответствии с вариантом, показанным на фиг.4-6, на сторону площадки, обращенную к оси поворотного шкворня, устанавливают накладку 20. Накладка 20 содержит первую часть 21, выполненную в виде диска, наружный диаметр которой в данном случае равен диаметру площадки 13. Со стороны пера лопатки этот диск продолжен двумя так называемыми стопорными лапками 22, взаимодействующими с двумя комплементарными поверхностями, такими как лыски 131 и 132, выполненные путем механической обработки по бокам площадки 13 параллельно друг к другу или наклонно по отношению к оси XX поворотного шкворня. Необходимо отметить, что диск 21 содержит центральное отверстие, имеющее диаметр, достаточный для его прохождения вдоль поворотного шкворня за пределы хомута 14'.

Устанавливаемая накладка 20 является простым и эффективным средством защиты площадки от износа, появляющегося в результате трения с втулкой 4. Когда лопатка находится на своем месте, выступ 4' втулки опирается на накладку, а не на площадку. Накладку стопорят во вращении при помощи двух лапок 22, перпендикулярных или наклонных по отношению к диску 21 и опирающихся на поверхности 131 и 132. Ее можно устанавливать путем перемещения скольжением вдоль поворотного шкворня 14, не снимая с него хомута.

Преимуществом решения является возможность визуального контроля за состоянием поверхности зоны, находящейся у подножия поворотного шкворня относительно площадки, не закрывающей ее обзора. Эта зона является очагом появления трещин, поэтому контроль за ней не должен вызывать трудностей.

На фиг.7 и 8 показан вариант решения, в котором на площадке путем механической обработки выполняют кольцевой уступ 13''. Профиль этого уступа соответствует форме уступа, выполненного в накладке 20'. Этот уступ предназначен для обеспечения центровки накладки относительно оси лопатки.

Вариант, показанный на фиг.9, 10 и 11, представляет собой накладку 220, содержащую плоскую часть в виде диска 221 и две лапки 222, как и в варианте, показанном на предыдущих чертежах. По краю всего узла выполнен бортик 223, который, перекрывая наружный диаметр площадки, одновременно обеспечивает центровку накладки и защиту края площадки в случае контакта с гнездом картера. Это решение применяют в случае, когда между гнездом картера, предназначенным для установки площадки, и площадкой спрямляющей лопатки существует достаточный зазор.

Монтаж накладки производят на снятой с картера лопатке статора. Накладку можно просто уложить на площадку, однако, согласно варианту, ее закрепляют при помощи стопорных лапок на площадке, когда необходимо обеспечивать стопорение в осевом направлении.

Во время выполнения механической обработкой лысок, образующих гнезда для стопорных лапок или средств центровки, следует избегать образования острых углов. Чтобы не допустить появления трещин, предпочтительно на углах срезать фаски или их закруглять.

Согласно другому отличительному признаку устанавливаемая накладка содержит специально выполненную поверхность, предназначенную для продления срока службы контактной зоны.

Согласно варианту выполнения на поверхность, входящую в контакт с втулкой, наносят покрытие типа карбида вольфрама. Накладку выполняют, например, из сплава, такого как Z6NCT25, а поверхность выполняют путем напыления HVOF сплава WC/17%Co. В этом случае находящуюся напротив втулку выполняют из сплава на основе железа, такого как Z12CNDV12, с покрытием из карбида вольфрама.

Согласно другому варианту выполнения твердость усиливают путем соответствующей обработки поверхности, такой как ультразвуковая или дробеструйная обработка сплава, например, на основе Z6NCT25. Предпочтительно добавляют лак для улучшения притирки и предупреждения износа контактной поверхности. В этом случае напротив используют металлическую втулку картера, например, из сплава Z12CNDV12.

Согласно другому варианту выполнения на поверхность накладки 320 напаивают керамику типа оксида алюминия, предпочтительно в одном или нескольких секторах 325 шайбы, как показано на фиг.12 и 13. Согласно представленному варианту выполнения керамическую шайбу напаивают в 3 секторах на накладке, которая может быть из сплава на основе железа, никеля или кобальта, например, Z6NCT25. В этом случае используют втулку картера из Z12CNDV12.

Согласно не показанной на чертежах версии этого варианта выполнения керамическому материалу - двуоксиду циркония или оксиду алюминия - придают форму шайбы, которую напрессовывают на накладку из металлического сплава на основе Fe, Ni, Co или Ti, например, из Z6NCT25. В этом случае на поверхности площадки путем механической обработки выполняют контрформу для установки шайбы при помощи запрессовки.

Другое решение состоит в выполнении стопорного бортика, охватывающего одновременно площадку и запрессовываемую шайбу. В этом случае втулку, устанавливаемую на картер, то есть напротив площадки, выполняют металлической из сплава на основе железа, никеля или кобальта, например Z12CNDV12.

Последнее решение состоит в выполнении накладки из материала типа сплава для болтов (например, наклепанный сплав на основе никеля) или для подшипников (например, сверхтвердые стали). Эти материалы выбирают в силу их хороших фрикционных свойств, позволяющих свести к минимуму износ накладка/втулка.

Далее следует описание способа ремонта спрямляющей лопатки, в которой не применяли защитное решение в соответствии с настоящим изобретением. В этом случае речь идет о восстановлении поврежденной контактной поверхности площадки.

На фиг.14 показана часть площадки спрямляющей лопатки, содержащая изношенную зону 13'. Сначала осуществляют механическую обработку в направлении, параллельном плоскости площадки 13, чтобы снять слой 13Е толщиной, достаточной для придания площадке плоской формы. Обрабатывают также края площадки, чтобы снять часть 13Р в виде лыски для установки стопорной лапки. Эту лыску 131 и 132 не выравнивают с пером лопатки. Предпочтительно выполняют две параллельные между собой лыски.

Обработанную таким образом площадку после этого оборудуют накладкой в соответствии с настоящим изобретением. Диск накладки занимает кольцевое пространство, образовавшееся при механической обработке площадки, при этом обе стопорные лапки насаживают скольжением вдоль выполненных лысок. После этого оборудованную таким образом лопатку опять устанавливают в картере.

В случае наиболее изношенных лопаток, если износ имеет большую глубину, чем это необходимо для зоны восстановления, все же остается возможность ремонта путем добавления накладки, если лопатка не выработала свой срок службы. В этом случае накладкой закрывают изношенную, но все еще остающуюся зону.

Лопатка статора с изменяющимся углом установки, установленная в картере газотурбинного двигателя, содержит перо, площадку, поворотный шкворень, накладку с диском и, по меньшей мере, одну стопорную лапку. Диск накладки установлен одной стороной на площадке и опирается другой стороной непосредственно или посредством втулки на стенку картера. Накладка является неподвижной во вращении относительно оси поворотного шкворня. Каждая стопорная лапка жестко соединена с диском и взаимодействует с комплементарной поверхностью, такой как лыска, выполненной на площадке. Поворотный шкворень содержит кольцеобразный хомут, образующий подшипник, а в диске накладки выполнено центральное отверстие, достаточно большое, чтобы обеспечить прохождение накладки вдоль поворотного шкворня. Другое изобретение группы относится к газотурбинному двигателю, содержащему, по меньшей мере, один ряд лопаток статора с изменяющимся углом установки, установленных в картере и оборудованных указанной выше накладкой, взаимодействующей с втулкой, установленной в гнезде картера. Еще одно изобретение относится к способу ремонта лопатки с изменяющимся углом установки, площадка которой имеет изношенную часть в результате трения с установленной втулкой, заключающемуся в том, что изношенную часть площадки подвергают механической обработке и устанавливают на ней накладку для получения указанной выше лопатки. Изобретения позволяют упростить ремонт лопаток газотурбинного двигателя с изношенными в результате трения площадками, а также исключить износ площадок новых лопаток. 3 н. и 5 з.п. ф-лы, 14 ил.

1. Лопатка статора с изменяющимся углом установки, установленная в картере газотурбинного двигателя и содержащая перо, площадку и поворотный шкворень, отличающаяся тем, что содержит накладку с диском, устанавливаемым одной стороной на площадке и опирающимся другой стороной непосредственно или посредством втулки на стенку картера, при этом устанавливаемая накладка является неподвижной во вращении относительно оси поворотного шкворня и, по меньшей мере, одну стопорную лапку, жестко соединенную с диском, взаимодействующую с комплементарной поверхностью, такой как лыска, выполненной на площадке, причем поворотный шкворень содержит кольцеобразный хомут, образующий подшипник, а в диске накладки выполнено центральное отверстие, достаточно большое, чтобы обеспечить прохождение накладки вдоль поворотного шкворня.

2. Лопатка по п.1, отличающаяся тем, что лапка содержит плоский участок поверхности, выступающий по отношению к плоскости диска и параллельный оси поворотного шкворня, взаимодействующий с поверхностью площадки.

3. Лопатка по п.1, отличающаяся тем, что между площадкой и накладкой выполняют средство центровки накладки по отношению к оси поворотного шкворня.

4. Лопатка по п.3, отличающаяся тем, что средство центровки выполняют в виде кольцевого уступа, полученного путем механической обработки на периферии площадки и взаимодействующего с кольцевым уступом, выполненным на внутренней поверхности накладки.

5. Лопатка по п.3, отличающаяся тем, что средство центровки выполняют в виде бортика на периферии накладки, взаимодействующего с краем площадки.

6. Лопатка по п.1, отличающаяся тем, что накладку выполняют из сплава для болтов типа наклепанного сплава на основе никеля или из сплава для подшипников, либо поверхность накладки, входящую в контакт с картером, подвергают специальной обработке, предназначенной для продления срока службы зоны контакта с картером, причем указанная обработка поверхности представляет собой нанесение покрытия из карбида вольфрама, дробеструйную обработку поверхности, обкатку роликами, нанесение керамики типа оксида алюминия путем пайки в одном или нескольких секторах или керамики типа оксида алюминия путем запрессовки.

7. Газотурбинный двигатель, содержащий, по меньшей мере, один ряд лопаток статора с изменяющимся углом установки, образующих спрямляющий аппарат, причем указанные лопатки установлены в картере и оборудованы накладкой по п.1, взаимодействующей с втулкой, установленной в гнезде картера.

8. Способ ремонта лопатки с изменяющимся углом установки, площадка которой имеет изношенную часть в результате трения с установленной втулкой, состоящий в том, что изношенную часть площадки подвергают механической обработке и устанавливают на ней накладку для получения лопатки по п.1.