ПРОТИВОИЗНОСНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ НАПРАВЛЯЮЩЕГО ВАЛИКА ЛОПАТКИ С ИЗМЕНЯЕМЫМ УГЛОМ УСТАНОВКИ В КОМПРЕССОРЕ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ, КОМПРЕССОР ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ И ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2011 года по МПК F01D17/16 F04D29/56 F01D9/02 

Настоящее изобретение относится к лопаткам, имеющим изменяемый угол установки. Оно находит применение в области самолетостроения, в частности, для управления угловыми положениями направляющих лопаток, регулирующих поток поступающего воздуха в компрессорах газотурбинных двигателей.

Компрессор высокого давления газотурбинного двигателя состоит как правило из нескольких ступеней лопаток с изменяемым углом установки, которые позволяют менять параметры газового потока в зависимости от режима работы турбомашины.

Наиболее близким аналогом заявленного изобретения является лопатка с изменяемым углом установки для компрессора газотурбинного двигателя, раскрытая в публикации RU 38861 U1. Лопатка согласно указанному документу содержит втулку, установленную с возможностью вращения вокруг направляющего валика лопатки, предназначенной для монтажа в корпус турбомашины. Подвижное соединение между втулкой и направляющим валиком осуществляется парой типа никель/титан.

Лопатки с изменяемым углом установки одной и той же ступени включают в себя каждая управляющий валик сверху и направляющий валик снизу, причем управляющий валик проходит через корпус статора турбомашины и взаимодействует с устройством управления ориентацией лопаток, а направляющий валик может вращаться во втулке, расположенной в выемке внутреннего кольца корпуса турбомашины. Воздействуя на устройство управления можно таким образом изменять ориентацию лопаток соответствующей ступени.

Лопатки с изменяемым углом установки позиционированы, таким образом, с единственной степенью свободы - вращением их направляющего валика во втулке. Втулки должны, следовательно, передавать внутреннему кольцу корпуса усилия, которые воздействуют на лопатку, и обеспечивать трение с направляющим валиком лопатки, другими словами, они должны одновременно иметь низкий коэффициент трения и высокую износостойкость.

Для того чтобы удовлетворить этим требованиям, для случая, когда направляющие валики лопаток с изменяемым углом установки изготовлены из стали, известен способ изготовления втулок из материала на основе графита. Однако в современных турбомашинах лопатки с изменяемым углом установки подвергаются значительным механическим нагрузкам, что влечет за собой преждевременный износ их направляющего валика. Лопатки в этом случае должны быть заменены после всего лишь нескольких тысяч часов работы, что оказывается неприемлемым из экономических соображений.

Задачей настоящего изобретения является устранение указанных недостатков и разработка лопатки и втулки, обеспечивающих низкий коэффициент трения и высокую износостойкость.

Эта задача решается посредством создания лопатки с изменяемым углом установки для компрессора газотурбинного двигателя, содержащей втулку, установленную с возможностью вращения вокруг направляющего валика лопатки, предназначенной для монтажа в корпус турбомашины, при этом подвижное соединение между втулкой и направляющим валиком осуществляется парой типа никель графит/титан, причем направляющий валик состоит из материала на основе титана, а втулка выполнена из материала на основе никеля и графита.

Заявитель установил, что в ходе длительного трения графит работает как твердая смазка, обеспечивая при этом относительно низкий коэффициент трения, и что трение графита по титану приводит к образованию карбида титана на пиках неровностей, что в свою очередь обеспечивает высокую стойкость против износа между втулкой и направляющим валиком лопатки. Таким образом, увеличивается срок службы лопаток и, в частности, их оснований.

Можно представить многочисленные варианты осуществления изобретения. Согласно одному из способов осуществления изобретения, в случае, когда направляющий валик состоит из материала на основе титана, втулка изготовлена из материала на основе никеля и графита. В этом случае втулка может быть получена путем спекания в форме порошка на основе никеля и графита.

Согласно другому варианту осуществления изобретения, в случае, когда направляющий валик не состоит из материала на основе титана, указанный направляющий валик покрыт никель-графитовым слоем, а втулка изготовлена из материала на основе титана.

Альтернативным образом для случая, когда направляющий валик не состоит из металлического материала на основе титана, лопатка может дополнительно включать в себя металлическую обойму, покрытую слоем никель-графита и насаженную на направляющий валик, а втулка состоит в этом случае из материала на основе титана.

Согласно другой альтернативе, для случая, когда направляющий валик не состоит из материала на основе титана, лопатка может дополнительно включать в себя обойму, состоящую из материала на основе никеля и графита и насаженную на направляющий валик, а втулка состоит в этом случае из материала на основе титана.

В любом варианте осуществления изобретения слой никель-графита может быть получен путем термического напыления порошка на основе никеля и графита.

Объектом изобретения являются также компрессор газотурбинного двигателя и газотурбинный двигатель, включающий в себя совокупность лопаток с изменяемым углом установки, таких как были описаны выше.

Другие характеристики и преимущества настоящего изобретения будут видны из нижеследующего описания, приводимого со ссылкой на прилагаемые фигуры чертежей, которые иллюстрируют пример осуществления изобретения неограничительного характера, в числе которых:

Фиг.1 представляет собой вид в разрезе лопатки с изменяемым углом установки согласно изобретению; и

Фиг.2 - частичный вид в разрезе лопатки с изменяемым углом установки согласно одному из вариантов осуществления изобретения.

Со ссылкой на фиг.1 лопатки 2 с изменяемым углом установки в компрессоре высокого давления турбомашины размещены в кольцевых ступенях, расположенных между ступенями рабочих лопаток (не показаны), которые закреплены на роторе (не показан) турбомашины.

Каждая лопатка 2 с изменяемым углом установки одной из кольцевых ступеней имеет вид лопасти 4, заканчивающейся на внешнем радиальном конце (или голове лопатки) управляющим валиком 6 (или верхним валиком) и на внутреннем радиальном конце (или основании лопатки) направляющим валиком 8 (или нижним валиком).

Управляющий валик 6 проходит через корпус 10 статора турбомашины и взаимодействует с органом управления положением лопаток. Для этой цели управляющий валик 6 заканчивается головкой 12, на которой расположен конец управляющего рычага 14, другой конец которого взаимодействует с управляющим кольцом 16.

Рычаги 14 и управляющее кольцо 16 образуют устройство управления положением лопаток. Вращение управляющего кольца 16 вокруг оси турбомашины позволяет поворачивать управляющие рычаги 14 и, таким образом, одновременно менять положение всех лопаток 2 с изменяемым углом установки в одной и той же ступени компрессора высокого давления.

Направляющий валик 8 лопатки предназначен для того, чтобы он мог поворачиваться внутри полой почти цилиндрической втулки 18, образуя поворотную опору. Каждая втулка 18 расположена в выемке 20, образованной во внутреннем кольце 22 корпуса турбомашины, причем втулка и выемка имеют практически взаимно дополняющие формы.

Согласно изобретению подвижное соединение между втулкой 18 и направляющим валиком 8 лопатки представляет собой контакт типа никель-графит/титан.

Под контактом типа никель-графит/титан подразумевается, что подвижное соединение между втулкой 18 и направляющим валиком 8 лопатки включает в себя первую контактную поверхность и вторую контактную поверхность, прилегающую к первой, причем первая поверхность состоит из материала на основе никеля и графита, а вторая поверхность состоит из материала на основе титана.

В условиях эксплуатации долговременного подвижного соединения между втулкой и направляющим валиком пара никель-графит/титан показывает исключительные рабочие характеристики благодаря своей высокой износостойкости и низкому коэффициенту трения.

Действительно, подвижное соединение между втулкой и направляющим валиком проходит через этап притирки, который характеризуется начальным трением между пиками неровностей поверхностей NiGr и Ti. Это трение вызывает очень сильный локальный нагрев, особенно для титана (который обладает низким коэффициентом теплопроводности). Очень высокая температура титана, находящегося в непосредственной близости с NiGr, приводит к образованию карбида титана (TiC), который осаждается на соприкасающихся поверхностях между втулкой и направляющим валиком, обеспечивая таким образом локальное повышение твердости, что ограничивает износ контактных поверхностей.

Были проведены сравнительные испытания для различных пар при тех же условиях и продолжительности трения. Нижеследующая таблица обобщает полученные результаты (единица измерения наблюдаемого износа произвольна).

  Износ NiGr Износ антагониста Пара NiGr/Waspalloy® 0,9 1 Пара NiGr/TA6V 0,1 0,1

Сплав Waspalloy®, использованный в первой паре этого испытания, - это известный сплав на основе никеля. Что касается титана TA6V, использованного в паре второго теста, речь идет об известном сплаве на основе титана, содержащего алюминий и ванадий.

Из этих испытаний можно, таким образом, сделать вывод, что контактирующие между собой поверхности втулки и направляющего валика лопатки изношены очень незначительно (их износ в 9-10 раз меньше, чем для пары NiGr/Waspalloy®).

Несколько вариантов использования такой пары никель-графит/титан представляются возможными для настоящего изобретения в зависимости от материала, примененного для изготовления лопатки и ее направляющего валика.

Таким образом, когда направляющий валик 8 лопатки изготовлен из материала на основе титана, втулка 18 в соответствии с изобретением состоит из материала на основе никеля и графита.

В этом варианте осуществления втулка может быть получена спеканием в форме порошка на основе никеля и графита. Пример такого способа спекания назван MIM (от английского «Métal Injection Molding»): он состоит в том, чтобы нагнетать порошок на основе никеля и графита вместе с органическим связующим в форму, а затем, когда втулка сформируется, химическим путем удалить органическое связующее. Другой пример такого способа спекания назван SPS (от английского "Spark Plasma Sintering"): в нем, по сравнению с другими способами спекания, используемым источником тепла является электрический ток, проходящий через камеру прессования (что позволяет получить повышенные скорости нагрева).

Когда направляющий валик 8 лопатки состоит не из материала на основе титана, (например, потому что он изготовлен из сплава на основе стали), направляющий валик может быть покрыт, в соответствии с изобретением, слоем никель-графита, а втулка 18 будет в этом случае выполнена из материала на основе титана.

Слой никель-графита на направляющем валике лопатки может быть получен путем термического напыления порошка на основе никеля и графита. Для этой цели предпочтительно использование экрана, чтобы угол между траекторией напыляемого порошка и касательной к валику в точке воздействия составлял бы приблизительно менее 45°, что требуется для обеспечения достаточной адгезии порошка с валиком.

Согласно решению, изображенному на фиг.2, для случая, когда направляющий валик 8 не состоит из металлического материала на основе титана, лопатка согласно изобретению дополнительно содержит металлическую обойму 24, которая покрыта слоем никель-графита и насажена на направляющий валик, а втулка 18 выполнена в этом случае из материала на основе титана.

В этом способе осуществления слой никель-графита на обойме 24 лопатки может быть нанесен термическим напылением порошка на основе никеля и графита. Для этой цели предпочтительно использование экрана, чтобы угол между траекторией напыляемого порошка и касательной к обойме в точке воздействия составлял приблизительно менее 45°, что требуется для обеспечения достаточной адгезии порошка с обоймой.

Согласно еще одному альтернативному решению, не представленному на фигурах, для случая, когда направляющий валик 8 не состоит из металлического материала на основе титана, лопатка согласно изобретению дополнительно содержит обойму, состоящую из материала на основе никеля и графита и насаженную на направляющий валик, а втулка изготавливается в этом случае из материала на основе титана.

В этом случае, обойма получается предпочтительно путем спекания в форме порошка на основе никеля и графита согласно одному из ранее описанных способов MIM или SPS.

Лопатка с изменяемым углом установки для компрессора газотурбинного двигателя, содержащая втулку, установленную с возможностью вращения вокруг направляющего валика лопатки, предназначенной для монтажа в корпус турбомашины. Соединение между втулкой и направляющим валиком осуществляется парой типа никель графит/титан, причем направляющий валик состоит из материала на основе титана, а втулка выполнена из материала на основе никеля и графита. Втулка получена путем спекания порошка на основе никеля и графита. Другие изобретения группы относится к газотурбинному двигателю и его компрессору, включающим указанные выше лопатки с изменяемым углом установки. Изобретения позволяют повысить износостойкость пары трения и снизить коэффициент трения. 3 н. и 1 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл.

1. Лопатка с изменяемым углом установки для компрессора газотурбинного двигателя, содержащая втулку, установленную с возможностью вращения вокруг направляющего валика лопатки, предназначенной для монтажа в корпус турбомашины, отличающаяся тем, что подвижное соединение между втулкой и направляющим валиком осуществляется парой типа никель графит/титан, причем направляющий валик состоит из материала на основе титана, а втулка выполнена из материала на основе никеля и графита.

2. Лопатка по п.1, отличающаяся тем, что втулка получена путем спекания в форме порошка на основе никеля и графита.

3. Компрессор газотурбинного двигателя, отличающийся тем, что он включает в себя совокупность лопаток с изменяемым углом установки по п.1 или 2.

4. Газотурбинный двигатель, отличающийся тем, что он включает в себя совокупность лопаток с изменяемым углом установки по п.1 или 2.