ВЕСОВОЙ БАЛАНСИР, ДИСК РОТОРА С ВЕСОВЫМ БАЛАНСИРОМ, РОТОР И ДВИГАТЕЛЬ ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА, СОДЕРЖАЩИЕ УКАЗАННЫЙ ДИСК Российский патент 2011 года по МПК F01D5/02 F16F15/32 F01D5/10 

Область техники

Настоящее изобретение относится к области балансировки роторов турбомашин.

Оно касается, в частности, весового балансира ротора турбомашины.

Оно касается также диска ротора турбомашины, снабженного таким балансиром.

Оно касается, кроме того, ротора турбомашины, содержащего такой диск.

Оно касается, наконец, турбомашины, содержащей такой ротор. Турбомашина может являться, в частности, двигателем летательного аппарата.

Во всем нижеследующем изложении термин "осевой" относится к осевому направлению турбомашины, термин "продольный" относится к продольному направлению весового балансира, в то время как термин "поперечный" использован для поперечного направления турбомашины или весового балансира.

Предшествующий уровень техники

Известно использование весовых балансиров для балансировки роторов турбомашин. Традиционно ротор содержит несколько дисков, и весовые балансиры монтируются на уровне двух дисков на выходе ротора, это диски, несущие съемные лопатки.

На фиг.1 показан весовой балансир предшествующего уровня техники, на фиг.2, 3, 4 показан ротор турбомашины, снабженный известными весовыми балансирами.

На фиг.2 изображен в осевом разрезе ротор 110 турбомашины и, в частности, два диска 112, 132, соответствующие двум последовательным ступеням N, N-1 этого ротора 110.

На периферии диска 112 ступени N размещены выемки 114, в каждой из которых размещено основание 116 съемной лопатки 118. Весовой балансир 160 расположен в зазоре 120 между двумя последовательными основаниями лопаток 116, 116'. Аналогичным образом, на периферии диска 132 ступени N-1 размещены выемки 134, в каждой из которых размещено основание 136 съемной лопатки 138. Весовой балансир 180 расположен в зазоре 140 между двумя соседними основаниями лопаток 136, 136'.

Весовые балансиры 160, 180 расположены в зазорах 120, 140 таким образом, чтобы под действием центробежных сил две активные поверхности 156 каждого балансира 160, 180 находились в контакте с двумя активными боковыми поверхностями 104 соответствующей выемки 114, 134, когда ротор 110 приведен во вращение.

Все балансиры 160 диска 114 ступени N идентичны между собой. Аналогичным образом идентичны между собой все балансиры 180 диска 134 ступени N-1. На фиг.1 представлен общий вид типичного для предшествующего уровня техники весового балансира 160, 180. С ним ассоциирована локальная прямоугольная система координат (X, Y, Z). Балансир содержит корпус 162, 182, имеющий выемки 158, выполненные путем механической обработки, чтобы оптимизировать его массу. Он имеет также две установочные лапки 184, которые проходят наружу от корпуса 182, следуя поперечному направлению Y. Установочные лапки 184 не входят в контакт с основаниями 136, 136' лопаток 138, 138', между которыми расположен балансир 180 (фиг.4). Установочные лапки 184 позволяют избежать вероятных ошибок при монтаже, которые могли бы привести к повреждению дисков 132.

На фиг.4 представлено поперечное сечение диска 132 ступени N-1 ротора 110, показаны более детально две смежные съемные лопатки 138, 138', имеющие соответственно основания лопаток 136, 136' и весовой балансир 180 ступени N-1, расположенный в зазоре 140 между основаниями лопаток 136, 136'.

Когда балансир 180 находится между двумя основаниями лопаток 136, 136', плоскость (X, Z) балансира 180 оказывается совмещенной с плоскостью осевого разреза, а плоскость (Y, Z) балансира 180 оказывается совмещенной с плоскостью поперечного разреза. Иными словами, когда балансир 180 находится на месте между двумя основаниями лопаток 136, 136', его ось X параллельна осевому направлению турбомашины, и его оси Y и Z определяют плоскость, параллельную поперечной плоскости турбомашины.

На фиг.3 представлено поперечное сечение (по линии III-III на фиг.2) диска 112 ступени N ротора 110, показывающее более детально две смежные съемные лопатки 118, 118', имеющие соответственно основания лопаток 136, 136'.

Из-за того, что они принадлежат двум различным ступеням N, N-1, оба диска 112, 132 имеют выемки 114, 134, обладающие разными размерами, в частности, вдоль своего радиального направления. На фиг.2, 3 и 4 показано, что радиальный размер выемки 134 диска 132 ступени N-1 (справа на фиг.2) меньше радиального размера выемки 114 диска 112 ступени N (слева на фиг.2). Следовательно, необходимо предусмотреть балансиры 160, 180, имеющие немного различные формы и/или размеры, в зависимости от того, предназначены ли они для диска 112 ступени N или для диска 132 ступени N-1 ротора 110.

Эта ситуация проиллюстрирована на фиг.3, где показан весовой балансир 180, адаптированный для диска 132 ступени N, размещенный между двух соседних оснований лопаток 116, 116'. Из-за того, что выемки 114, 134 двух дисков 112, 132 имеют различные размеры, балансир 180, адаптированный для диска 132 ступени N-1, не приспособлен для диска 112 ступени N, как это иллюстрируется наличием зон наложения 108 установочных лапок 184 и оснований лопаток 116, 116'. Если весовой балансир 180 ступени N был бы помещен в зазор 120 ступени N каким-либо образом, позволяющим избежать такого наложения, тогда его активные поверхности 156 не были бы в контакте с активными боковыми поверхностями 104 выемки 114 при вращении диска 112.

Таким образом, оказывается невозможным поместить идентичные балансиры 180 в выемках 114, 134 двух разных дисков 112, 132, поскольку эти балансиры имеют геометрию балансиров 180 (фиг.1).

Краткое изложение существа изобретения

Технической задачей настоящего изобретения является создание весового балансира, имеющего такие форму и размеры, чтобы он мог быть размещен как в выемках диска ступени N, так и в выемках диска ступени N-1.

Другой задачей настоящего изобретения является создание весового балансира, имеющего такие форму и размеры, чтобы он мог быть размещен в выемке, без необходимости предусматривать специальные рельефы, исключающие ошибку при его установке.

Поставленные задачи достигаются при использовании весового балансира согласно изобретению.

Согласно первому аспекту изобретение относится к весовому балансиру ротора турбомашины, характеризующемуся тем, что он содержит две конечные части в форме пирамиды, каждая из которых имеет основание и вершину, а также промежуточную часть, которая соединяет оба основания конечных частей.

Согласно изобретению обе вершины расположены на одной продольной оси.

Согласно изобретению обе конечные части и промежуточная часть в разрезе к указанной продольной оси имеют сечения в форме многоугольников, имеющих центр на указанной продольной оси.

Согласно изобретению весовой балансир содержит медианную плоскость симметрии, перпендикулярную упомянутой продольной оси.

Согласно изобретению весовой балансир содержит закругленные кромки и закругленные вершины.

Согласно изобретению весовой балансир содержит выемку. Предпочтительно выемка выполнена в виде сквозного отверстия, ориентированного вдоль направления, перпендикулярного указанной продольный оси.

Предпочтительно упомянутые многоугольники являются многоугольниками с четырьмя сторонами, так что каждая конечная часть имеет форму пирамиды с четырьмя гранями, а промежуточная часть имеет форму параллелепипеда.

Предпочтительно упомянутые многоугольники с четырьмя сторонами - это прямоугольники.

Предпочтительно упомянутые многоугольники с четырьмя сторонами - это квадраты.

Предпочтительно упомянутый весовой балансир имеет восемь активных поверхностей, которые являются восемью гранями обеих конечных частей.

Согласно второму аспекту настоящее изобретение относится к диску ротора турбомашины, снабженному, по меньшей мере, одним весовым балансиром.

В частности, диск ротора турбомашины содержит выемки, в которые вставлены основания лопаток, между последними имеется зазор в направлении по касательной к диску, при этом выемки имеют по две активные боковые поверхности.

Диск ротора характеризуется тем, что он снабжен, по меньшей мере, одним весовым балансиром, расположенным в указанном зазоре.

Предпочтительно весовой балансир имеет две активные боковые поверхности, находящиеся каждая на одной из конечных частей.

Предпочтительно две активные поверхности взаимно симметричны по отношению к медианной плоскости симметрии, перпендикулярной продольной оси, которая соединяет обе вершины балансира.

Предпочтительно активные поверхности предназначены для того, чтобы входить в контакт соответственно с одной из активных боковых поверхностей выемки, когда диск ротора приведен во вращение.

Согласно третьему аспекту настоящее изобретение относится к ротору турбомашины, содержащему весовой балансир и/или диск ротора.

Согласно четвертому аспекту настоящее изобретение относится к турбомашине, содержащей весовой балансир, и/или диск ротора, и/или ротор. В частности, турбомашиной является двигатель летательного аппарата.

Согласно пятому аспекту настоящее изобретение относится к двигателю летательного аппарата, содержащему, по меньшей мере, один весовой балансир.

Согласно шестому аспекту настоящее изобретение относится к двигателю летательного аппарата, содержащему, по меньшей мере, один диск ротора.

Краткое описание чертежей

В дальнейшем изобретение поясняется подробным описанием предпочтительных вариантов осуществления, приведенных в качестве примера, со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:

фиг.1 изображает общий вид весового балансира согласно предшествующему уровню техники;

фиг.2 - осевой разрез двух последовательных ступеней ротора турбомашины, снабженных весовыми балансирами согласно предшествующему уровню техники;

фиг.3 - поперечный разрез вдоль линии III-III на фиг.2;

фиг.4 - разрез по линии IV-IV на фиг.2;

фиг.5 - общий вид весового балансира согласно изобретению;

фиг.6 -продольный разрез весового балансира согласно изобретению;

фиг.7 - разрез по линии VII-VII на фиг.6 весового балансира согласно изобретению;

фиг.8 - общий вид варианта осуществления весового балансира согласно изобретению;

фиг.9 - осевой разрез двух последовательных ступеней ротора турбомашины, снабженных весовыми балансирами согласно изобретению;

фиг.10 - разрез по линии Х-Х на фиг.9 согласно изобретению;

фиг.11 - разрез по линии ХI-ХI на фиг.9 согласно изобретению.

Подробное описание предпочтительного варианта осуществления изобретения

На фиг.5 представлен весовой балансир 50 согласно изобретению, имеющий в целом продолговатую форму, вытянутую вдоль продольной оси X. Локальная прямоугольная система координат (X, Y, Z) ассоциирована с ним таким образом, чтобы плоскость (Y, Z) является медианной поперечной плоскостью весового балансира 50, плоскость (Z, X) продольная плоскость, перпендикулярная медианной плоскости (Y, Z).

Весовой балансир 50 показан в разрезе продольной плоскостью (X, Z). Он содержит три последовательные части, т.е. две конечные части 62, соединенные промежуточной частью 64. Обе конечные части 62 имеют каждая форму пирамиды, имеющей основание 70, вершину 66 и четыре грани 56. Промежуточная часть 64 имеет форму параллелепипеда, имеющего четыре грани 72 одинаковых размеров. Промежуточная часть 64 соединяет два основания 70 обеих конечных частей - непрерывно и равномерно, параллельно продольной оси X, вдоль которой расположены в ряд обе вершины 66. Грани 72 промежуточной части 64 в своем продолжении соответствуют граням 56 конечных частей 62.

Весовой балансир 50 имеет поперечные сечения, перпендикулярные продольной оси X квадратной формы (фиг. 7), где показан весовой балансир 50 в сечении поперечной плоскостью (Y, Z) по линии VII-VII на фиг.6 в месте соединения промежуточной части 64 и одной из конечных частей 62. Оси Y и Z расположены таким образом, что каждая из них проходит через центры двух противоположных граней 72 промежуточной части 64.

Между различными гранями 56, 72 весовой балансир 50 имеет преимущественно закругленные ребра. Предпочтительно его вершины 66 также закруглены.

Наклон граней 56 конечных частей 62 определяется углом α, величина которого устанавливается в зависимости от потребностей. Этот угол находится в диапазоне от 30° до 60°, предпочтительно в диапазоне от 40° до 55°. Наиболее предпочтительно величина угла установлена как 45°.

Преимущество весового балансира 50, имеющего указанную выше форму, состоит в том, что он имеет несколько плоскостей симметрии и сохраняет тот же контур в продольной плоскости (Z, X), когда он поворачивается на 90° вокруг продольной оси X.

На фиг. 8 показан вариант выполнения весового балансира 50. Последний имеет выемку 58, выполненную предпочтительно механической обработкой, чтобы изменять и/или оптимизировать его массу. В описываемом примере выемка 58 представлена в виде сквозного отверстия, ориентированного перпендикулярно продольной оси X и проходящего по одной или другой из поперечных осей Y или Z. Форма и расположение выемки 58 не затрагивают контура весового балансира 50, когда она видна на одной или другой из поперечных плоскостей (X, Y) или (Z, X).

Преимущество изобретения заключается в том, что предусмотрены единая форма и размеры для всех весовых балансиров 50, каким бы ни был диск 12, 32, на котором они должны быть установлены. Это позволяет упростить изготовление весовых балансиров и сократить стоимость изготовления.

Весовой балансир согласно изобретению изготавливается предпочтительно из материала, выбираемого из группы, состоящей из сплава на основе никеля, сплава на основе титана, сплава на основе алюминия и сталей.

На фиг.9 представлен осевой разрез ротора 10 турбомашины согласно изобретению, два диска 12, 32, соответствующих двум последовательным ступеням N, N-1 ротора 10.

Выемки 14, в каждой из которых размещено основание 16 съемной лопатки 18, размещены на периферии диска 12 ступени N. Весовой балансир 50 согласно изобретению расположен в зазоре 20 между двумя последовательными основаниями 16. Аналогично выемки 34, в каждой из которых размещено основание 36 съемной лопатки 38, размещены на периферии диска 32 ступени N-1. Весовой балансир 50 согласно изобретению расположен в зазоре 40 между двумя последовательными основаниями 36.

На фиг.10 представлен поперечный разрез по линии Х-Х на фиг.9 диска 32 ступени N ротора 10, где показаны, в частности, две смежные съемные лопатки 18, 18', имеющие соответственно основания лопаток 16, 16', и весовой балансир 50, размещенный в зазоре 20 между последними.

Аналогично на фиг.11 показан поперечный разрез по линии XI-XI на фиг.9 диска 32 ступени N-1 ротора, где показаны, в частности, две смежные съемные лопатки 38, 38', имеющие соответственно основания лопаток 36, 36', и весовой балансир 50, размещенный в зазоре 40 между последними.

Все балансиры 160 диска 114 ступени N идентичны между собой. Аналогично все балансиры 180 диска 134 ступени N-1 также идентичны между собой. Более того, балансиры 50, размещенные в диске ступени N (фиг.10 и левая часть фиг.9) идентичны балансирам 50, размещенным в диске ступени N-1 (фиг.11 и правая часть фиг.9).

Весовые балансиры 50, 50 установлены между двумя последовательными основаниями лопатки 16, 16', 36, 36' в зазоре 20, 40 (фиг.10, 11), чтобы две активные грани 56, 56 каждого балансира 50 были в контакте с двумя активными боковыми поверхностями 4, 4 соответствующей выемки 14, 34, под действием центробежных сил, когда ротор 10 приведен во вращение (фиг. 9). Обе активные грани 56, 56, которые входят в контакт с активными боковыми поверхностями 4, 4 соответствующей выемки 14, 34, симметричны друг другу по отношению к медианной плоскости симметрии (Y, Z) весового балансира 50.

Зазоры 20, 40 (фиг.10 и 11) имеют почти квадратную форму в поперечной плоскости диска 12, 32. Выбирая многоугольник с четырьмя равными сторонами, т.е. квадрат, определяющий сечение промежуточной части 64, предупреждается случайное вращение весового балансира 50, который больше не поворачивается вокруг своей продольной оси X, как только он оказывается на своем месте в выемке 14, 34. Благодаря этому риск повредить выемку 14, 34 и/или балансир 50 сокращается. Этот риск еще более сокращается благодаря тому, что весовой балансир 50 выполнен с закругленными ребрами 68 и закругленными вершинами 66.

Из-за своей особенной формы, имеющей две продольные плоскости симметрии (Y, Z) и (Z, X), каждый весовой балансир 50 может быть помещен в зазор 20, 40, без необходимости предусматривать особое направление ввода и/или специальные рельефы, исключающие ошибку при его установке. Действительно, все грани 56 конечных частей 62 идентичны, т.е. все они могут выполнять роль активных граней, входящих в контакт с активными боковыми поверхностями 4, 4 соответствующей выемки 14, 34. Следовательно, одна и та же форма весового балансира может быть использована для всех дисков ротора, которые должны быть отбалансированы. Таким образом, достаточно выбрать размеры общего весового балансира, чтобы он смог войти в выемку, при этом с наименьшим радиальным размером, то есть в выемку 34 диска 32 ступени N-1 (справа на фиг.9). Следовательно, предложенный весовой балансир 50 обеспечивает экономию времени в процессе монтажа дисков 12, 32. Изобретение не ограничено вариантами осуществления, описанными выше. В частности, число граней каждой пирамиды не ограничено четырьмя.

Весовой балансир (50) предназначен для роторного диска (12, 32) турбомашин двигателя летательного аппарата. Роторный диск содержит выемки (14, 34), в которых размещены основания лопаток (16, 36), между которыми оставлен зазор в направлении по касательной к диску (12, 32). Выемки (14, 34) имеют две активные боковые поверхности (4, 4). Весовой балансир (50) предназначен для размещения в указанном зазоре и содержит две конечные части в форме пирамиды. Каждая из частей имеет основание, вершину и промежуточную часть, соединяющую два основания обеих конечных частей. Две вершины расположены вдоль продольной оси X. Весовой балансир (50) содержит две продольные плоскости симметрии (Y, Z) и (Z, X). Все грани (56) конечных частей являются идентичными с двумя активными поверхностями (56, 56), предназначенными для вхождения в контакт с двумя активными боковыми поверхностями (4, 4) соответствующих выемок (14, 34). Достигается ускорение и упрощение балансировки за счет единой формы и размеров для весовых балансиров (50) всех дисков (12, 32), а также за счет симметрии балансира (50), который может быть помещен в зазор без необходимости предусматривать особое направление ввода и/или специальные рельефы, исключающие ошибку при его установке. 8 н. и 12 з.п. ф-лы, 11 ил.

1. Весовой балансир (50) для роторного диска (12, 32) турбомашины, указанный роторный диск содержит выемки (14, 34), в которых размещены основания лопаток (16, 16', 36, 36'), между которыми оставлен зазор (20, 40) в направлении по касательной к диску (12, 32), причем выемки (14, 34) имеют две активные боковые поверхности (4, 4), а
весовой балансир (50) предназначен для размещения в указанном зазоре (20, 40) и содержит две конечные части (62) в форме пирамиды, каждая из которых имеет основание (70), вершину (66), и промежуточную часть (64), соединяющую два основания (70) обеих конечных частей (62), две вершины (66) расположены вдоль продольной оси X, а весовой балансир (50) содержит две продольные плоскости симметрии (Y, Z) и (Z, X),
при этом все грани (56) конечных частей (62) являются идентичными с двумя активными поверхностями (56, 56) каждого весового балансира (50), предназначенного для вхождения в контакт с двумя активными боковыми поверхностями (4, 4) соответствующих выемок (14, 34).

2. Весовой балансир по п.1, содержащий выемку (58).

3. Весовой балансир по п.2, в котором выемка (58) имеет форму сквозного отверстия, ориентированного в направлении, перпендикулярном продольной оси (X), соединяющей обе вершины (66).

4. Весовой балансир по любому из пп.1-3, в котором обе конечные части (62) и промежуточная часть (64) в разрезе по плоскости (Y, Z), перпендикулярной продольной оси (X), имеют форму многоугольников, с центрами на продольной оси (X).

5. Весовой балансир по п.4, в котором многоугольники являются многоугольниками с четырьмя сторонами, при этом каждая конечная часть (62) имеет форму четырехгранной пирамиды, а промежуточная часть (64) имеет форму параллелепипеда.

6. Весовой балансир по п.5, в котором многоугольники с четырьмя сторонами являются прямоугольниками.

7. Весовой балансир по п.5, в котором многоугольники с четырьмя сторонами являются квадратами.

8. Весовой балансир по п.7, который содержит восемь активных поверхностей (56), которые являются восемью гранями (56) двух конечных частей (62).

9. Весовой балансир по п.1, который содержит закругленные ребра и закругленные вершины.

10. Весовой балансир по п.1, который изготовлен из материала, выбранного из группы, состоящей из сплавов на основе никеля, сплавов на основе титана, сплавов на основе алюминия и сталей.

11. Диск ротора турбомашины, в котором диск снабжен, по меньшей мере, одним весовым балансиром (50) по любому из пп.1-10.

12. Диск (12, 32) ротора турбомашины, содержащий выемки (14, 34), в которых размещены основания лопаток (16, 16', 36, 36'), и между которыми оставлен зазор (20, 40) в направлении по касательной к диску (12, 32), при этом выемки (14, 34) имеют две активные боковые поверхности (4', 4), при этом диск снабжен, по меньшей мере, одним весовым балансиром (50) по любому из пп.1-10, размещенным в зазоре (20, 40).

13. Диск ротора по п.12, в котором весовой балансир (50) содержит две активные поверхности (56, 56), расположенные на одной из конечных частей (62).

14. Диск ротора по п.13, в котором две активные поверхности (56, 56) симметричны друг другу по отношению к медианной плоскости (Y, Z), перпендикулярной продольной оси (X), которая соединяет обе вершины (66) балансира (50).

15. Диск ротора по п.14, в котором активные поверхности (56, 56) предназначены для вхождения в контакт соответственно с одной из активных боковых поверхностей (4, 4) выемки (114, 134), когда диск ротора (112, 132) приведен во вращение.

16. Ротор (10) турбомашины, содержащий, по меньшей мере, один диск ротора (12, 32) по любому из пп.11-15.

17. Турбомашина, содержащая, по меньшей мере, один весовой балансир (50) по любому из пп.1-10.

18. Турбомашина, содержащая, по меньшей мере, один диск ротора (12, 32) по любому из пп.11-15.

19. Двигатель летательного аппарата, содержащий, по меньшей мере, один весовой балансир (50) по любому из пп.1-10.

20. Двигатель летательного аппарата, содержащий, по меньшей мере, один диск ротора (12, 32) по любому из пп.11-15.