СЕКТОР НАПРАВЛЯЮЩИХ ЛОПАТОК ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ, СТУПЕНЬ СЖАТИЯ, КОМПРЕССОР И ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2011 года по МПК F01D5/14 F01D9/04 

Изобретение относится к области газотурбинных двигателей, в частности турбореактивных двигателей, и касается направляющей лопатки, расположенной внутри компрессора.

Более точно оно касается новой модификации геометрической формы лопатки для локального снижения уровня напряжений.

В последующем описании термины "верхний" или "нижний" будут использованы, чтобы обозначать положения одних элементов конструкции по отношению к другим в осевом направлении, беря в качестве ориентира направление течения потока газов. Таким же образом, термины "внутренний" или "радиально внутренний" и "внешний" или "радиально внешний" будут использованы, чтобы обозначать положения одних деталей конструкции по отношению к другим в радиальном направлении, беря в качестве ориентира ось вращения газотурбинных двигателей.

Газотурбинный двигатель включает в себя один или несколько компрессоров, подающих воздух под давлением в камеру сгорания, где воздух смешивается с топливом и воспламеняется для того, чтобы генерировать горячие отходящие газы. Эти газы вытекают к верхней части камеры к одной или нескольким турбинам, которые преобразуют полученную таким путем энергию для приведения во вращение одного или нескольких компрессоров и, таким образом, для совершения необходимой работы, например для моторизации самолета.

Компрессор, например компрессор высокого давления, состоит из одной или нескольких ступеней сжатия, каждая из которых включает в себя решетку неподвижных лопаток, за которой следует подвижное колесо, снабженное подвижными лопатками. Решетка неподвижных лопаток, называемая также спрямляющей решеткой, может быть составлена из совокупности угловых направляющих секторов, пример одного из которых проиллюстрирован на фиг.1, где каждый сектор 1 включает в себя множество неподвижных лопаток 2, соединенных своими внутренними краями с внутренним кольцом 3 и своими внешними краями с внешним кольцом 4. Роль направляющих секторов состоит в том, чтобы спрямлять прибывающий с верхней части двигателя поток воздуха так, чтобы этот поток поступал к верхней части подвижного колеса под надлежащим углом.

Лопатки 2 ограничены двумя боковыми сторонами, называемыми соответственно нижней поверхностью 8 и верхней поверхностью 9, которые образуют аэродинамический профиль с передней кромкой и задней кромкой. Передняя кромка 6, или BA, образована верхним соединением между нижней поверхностью и верхней поверхностью. Задняя кромка 7, или BF, образована нижним соединением между нижней поверхностью и верхней поверхностью. Этот аэродинамический профиль очень важен, так как он позволяет лопатке выпрямить нужным образом поток воздуха, прибывающий от верхней части газотурбинного двигателя. Этот профиль определен расчетным путем и представлен в виде радиальных сечений, осуществленных согласно оси пакетирования лопаток, обозначенной буквой E на чертеже, на различных высотах по отношению к оси двигателя. Образованная указанными различными радиальными сечениями лопатка монтируется затем между внутренним и внешним кольцами. Сопряжение между лопаткой и кольцами может быть осуществлено различными способами. Скрепление лопатки и колец может быть осуществлено затем путем пайки.

Для некоторых аэродинамических профилей радиус кривизны BF настолько мал, например составляет порядка десятых долей миллиметра, что это приводит во время работы двигателя к увеличению статического напряжения в спаях, выполненных между лопаткой и внешним кольцом, на нижней поверхности вблизи профиля с радиусом кривизны BF. Достигнутый при этом уровень напряжений может оказаться необратимым и явиться причиной появляющихся в спаях трещин.

Когда появляется этот тип трещин, можно осуществить изменение геометрии лопатки с целью снизить уровень напряжений в зоне растрескивания. Эта корректировка известного типа осуществляется путем увеличения толщины лопатки на совокупности радиальных сечений для всей высоты h лопатки или для ее части. Этот тип корректировки изменяет, таким образом, аэродинамический профиль лопатки, что предполагает необходимость расчета нового профиля и проверки механической стойкости новой лопатки, в частности уровня напряжений, достигаемого в зоне растрескивания.

Некоторые итерации между расчетом аэродинамических характеристик и расчетом механических характеристик часто необходимы для того, чтобы получать профиль, являющийся удовлетворительным одновременно с точки зрения аэродинамики и с точки зрения механики. Этот вид изменений является труднореализуемым, требующим больших затрат времени и дорогостоящим. Кроме того, он предполагает полную замену лопатки и усложняет ее изготовление.

Изобретение позволяет решить эти проблемы, предлагая новый тип сектора направляющих лопаток, для которого было осуществлено локальное изменение геометрии лопатки. Это изменение позволяет сократить уровень напряжений в спае, связывающем лопатку с ее внешним кольцом, без необходимости выполнения нового аэродинамического расчета размеров.

Таким образом, это локальное изменение позволяет гарантировать механическую стойкость сектора направляющих лопаток, без воздействия на аэродинамический профиль лопатки. Итерации между аэродинамическим расчетом размеров и механическим расчетом размеров не являются более необходимыми, что позволяет получить экономию времени, то есть быстрее ответить на запрос клиента, так же как и уменьшение стоимости как на стадии исследований, так и на стадии изготовления. Действительно, в случае кованых лопаток, например, будет необходима только местная обработка существующей формы. Кроме того, этот новый тип направляющей лопатки вполне взаимозаменяем со старым и не влияет на границы раздела между окружающими ее деталями.

Из уровня техники известно изобретение, описанное в документе DE 19941133, которое касается также сектора направляющих лопаток газотурбинного двигателя, включающего в себя, по меньшей мере, одну направляющую лопатку, причем каждая направляющая лопатка соединена с внутренним кольцом и внешним кольцом и имеет радиально внутреннюю часть высотой h4, радиально внешнюю часть высотой h1, нижнюю поверхность, верхнюю поверхность, переднюю кромку и заднюю кромку, при этом радиально внешняя часть, называемая головкой, разделяется на соединенные между собой промежуточную часть высотой h3 и связующую часть высотой h2, а промежуточная часть расположена между связующей частью и радиально внутренней частью, причем радиально внутренняя часть каждой лопатки включает в себя первую зону, соединенную с радиально внешней частью переходной зоной, каждая лопатка соединена с внешним кольцом только своей связующей частью, а ее промежуточная часть расположена радиально внутри внешнего кольца, при этом задняя кромка, соединяющая верхнюю и нижнюю поверхности, имеет радиус кривизны, который постепенно увеличивается в переходной зоне лопатки, достигая максимума на уровне соединения между переходной зоной и промежуточной частью, а затем остается постоянным в связующей части.

Согласно способу осуществления изобретения, величина радиуса кривизны задней кромки постоянна в первой зоне радиально внутренней части каждой лопатки.

Предпочтительно, чтобы величина радиуса кривизны задней кромки линейно увеличивалась в переходной зоне каждой лопатки.

Выгодно, чтобы толщина лопасти постепенно увеличивалась в переходной зоне каждой лопатки, на нижней поверхности в направлении задней кромки.

Целесообразно, чтобы величина радиуса кривизны задней кромки переходной зоны каждой лопатки увеличивалась до тех пор, пока не будет достигнуто тройного значения величины радиуса кривизны задней кромки (7) первой зоны радиально внутренней части лопатки.

Предпочтительно, чтобы переходная зона (2d) и промежуточная часть (2c) каждой лопатки составляли 0,5-2,5% от общей высоты лопатки, а постепенное увеличение толщины лопатки может осуществляться на трети длины ее хорды.

Изобретение касается также ступени сжатия, компрессора и газотурбинного двигателя, снабженного по меньшей мере одним таким сектором направляющих лопаток.

Изобретение будет более понятно, и другие его преимущества проявятся более отчетливо в свете описания предпочтительного варианта его осуществления, приведенного в качестве неограничительного примера со ссылками на приложенные чертежи, в числе которых:

фиг.1 представляет вид в изометрии видимого сверху сектора направляющих лопаток согласно предшествующему уровню техники;

фиг.2 - схематический вид в разрезе газотурбинного двигателя и, более точно, турбореактивного двигателя самолета;

фиг.3 - схематический вид в разрезе части сектора направляющих лопаток;

фиг.4 - вид в разрезе сектора направляющих лопаток по плоскости, включающей ось X вращения газотурбинных двигателей, согласно изобретению;

фиг.5 - детальный вид направляющей лопатки согласно изобретению, видимый снизу;

фиг.6 - вид в разрезе, согласно направлению A-A лопатки согласно изобретению.

На фиг.1 показан вид сверху сектора направляющих лопаток 1, включающего множество лопаток 2.

Фиг.2 показывает в разрезе общий вид газотурбинного двигателя 100, например турбореактивного двигателя самолета, включающего в себя компрессор низкого давления 101, компрессор высокого давления 102, турбину низкого давления 104, турбину высокого давления 105 и камеру сгорания 106.

Фиг.3 показывает видимый в разрезе сектор направляющих лопаток. В частности, этот чертеж иллюстрирует пример соединения между аэродинамическим профилем 200 лопаток 2 и внешним кольцом 4. В этом примере соединение между лопатками 2 и внешним кольцом 4 получено следующим образом.

Аэродинамический профиль 200 радиально продолжается за внешнее кольцо. Для учета накапливающихся монтажных зазоров аэродинамический профиль 200 обрезан по поверхности 201, параллельной внутренней стороне 5 внешнего кольца 4, причем поверхность 201 и внутренняя сторона 5 разделены расстоянием J, равным величине совокупности монтажных зазоров. Когда аэродинамический профиль 200 обрезается, поверхность полученного таким образом разреза 202 радиально проецируется таким образом, чтобы получить цилиндр 203, продолжающийся немного выше внешнего кольца 4. Таким образом, край лопатки, расположенный между поверхностью разреза 202 и внутренней стороной 5 внешнего кольца 4, является цилиндром, образующие которого параллельны оси пакетирования E лопатки. Этот тип соединения позволяет облегчить проделывание прорезей во внешнем кольце, в которых будут устанавливаться лопатки.

На фиг.4 показан сектор направляющих лопаток, на виде в разрезе по плоскости, включающей ось X вращения газотурбинных двигателей согласно изобретению.

Лопатка 2, общей высотой h, состоит из радиально внешней части 10 высотой h1 и радиально внутренней части 2a высотой h4. Радиально внешняя часть 10, называемая также головкой лопатки, разделяется на связующую часть 2b высотой h2 и промежуточную часть 2c высотой h3, где h1=h2+h3.

Лопатка 2 радиально врезана во внешнее кольцо 4 через посредство своей радиально внешней части 10, точнее благодаря своей связующей части 2b. В проиллюстрированном здесь примере соединение между лопаткой 2 и внешним кольцом 4 осуществлено согласно ранее описанному способу. Таким образом, радиально внешняя часть 10 является цилиндром, образующие которого параллельны направлению пакетирования E лопатки 2. Поверхность разреза 202 соответствует границе между радиально внутренней 2a и внешней 10 частями лопатки.

Радиально внутренняя часть 2a высотой h4 располагается между внутренним кольцом 3 и поверхностью разреза 202. Ее форма определена расчетным путем, как это было показано выше.

Лопатка 2 и внешнее кольцо 4 соединены пайкой, спай осуществлен между внешним кольцом 4 и связующей частью 2b лопатки высотой h3. Когда радиус кривизны задней кромки 7 имеет малую величину, например, порядка 0,2 мм, в спае на нижней поверхности вблизи BF может появиться локальное перенапряжение, которое может быть источником возникновения трещин. Зона, где располагается это вероятное перенапряжение, соответствует метке 20. Именно в этой зоне осуществляется изменение формы лопатки.

Высота h1 радиально внешней части 10 составляет 5-10%, предпочтительно, 7% от общей высоты h лопатки 2; высота h2 связующей части 2b составляет 0,5-15%, предпочтительно, 5,8% общей высоты h; и высота h3 промежуточной части 2c составляет 0-5%, предпочтительно, 1,3% общей высоты h.

Фиг.5 показывает подробный вид нижней поверхности зоны 20 лопатки 2 с изменением формы.

Согласно изобретению, радиально внутренняя часть 2a разделяется на две зоны: первую зону, распространяющуюся радиально, начиная от внешнего кольца, и переходную зону 2d высотой h5, соединяющую первую зону с промежуточной частью 2c. Высота первой зоны равна, таким образом, h4-h5.

В первой зоне радиально внутренней части 2a лопатки 2 радиус кривизны BF 7a, соединяющий нижнюю поверхность 8 с верхней поверхностью 9, почти постоянен по всей высоте h4.

В переходной зоне 2d радиус кривизны BF 7d изменяется. Он постепенно увеличивается, начиная с величины, идентичной радиусу 7a, до величины, могущей достигать троекратного размера радиуса 7a. Этот максимум достигается на уровне поверхности разреза 202 и соответствует максимуму, за которым воздействие на уровень и локализацию перенапряжения более не является значительным. Предпочтительно, это увеличение радиуса кривизны является линейным.

В промежуточной части 2c лопатки 2, то есть в части, расположенной между поверхностью разреза 202 и внутренней стороной 5 внешнего кольца 4, радиус кривизны BF 7c практически постоянен и равен радиусу кривизны 7d, достигнутому на уровне поверхности разреза 202.

Это локальное изменение радиуса осуществлено, таким образом, на высоте, соответствующей h5+h3, где h5 составляет 0,5-2,5%, предпочтительно 2,2%, от общей высоты лопатки h. Таким образом, увеличение радиуса кривизны на BF не оказывает влияния на аэродинамику лопатки.

На фиг.6 показан вид в разрезе, вдоль направления A-А, головки 10 лопатки согласно изобретению. С помощью наложения представлены сечение, соответствующее лопатке без изменения формы 22, и сечение, соответствующее лопатке согласно изобретению 21.

На уровне головки 10 лопатки, точнее на уровне ее промежуточной части 2c, сечение без изменения формы 22 обладает радиусом кривизны на BF 7, который одинаков по всей высоте h лопатки и имеет малую величину, а именно порядка 0,1-0,3 мм. Сечение 21, то есть соответствующее лопатке с изменением формы нижней поверхности вблизи BF, имеет радиус кривизны на BF 7c, увеличенный по отношению к первоначальному сечению 22.

Кроме того, увеличение радиуса кривизны на BF сопровождается увеличением толщины лопатки. Это увеличение может быть осуществлено по всей длине хорды C лопатки, но, как правило, только нижняя часть сечения 21 имеет увеличенную толщину. Длина хорды C - это длина линии, соединяющей переднюю кромку и заднюю кромку лопатки, для данного сечения. Предпочтительно, имеющая увеличенную толщину часть имеет максимально треть длины хорды для рассмотренного сечения. Увеличение толщины сечения происходит постепенно, так чтобы никакое случайное повреждение формы или выпуклости не создавало помех течению воздуха вдоль нижней поверхности.

Наконец, в связующей части 2b, радиус кривизны на BF идентичен, по всей высоте h2, радиусу кривизны промежуточной части 2c.

Влияние этих геометрических изменений, а именно: увеличение радиуса кривизны BF и увеличение толщины лопатки, является чисто механическим, так как эти изменения очень локализованы в пределах указанных высоты лопатки и длины хорды. Кроме того, утолщение делается только на нижней поверхности лопатки. Таким образом, аэродинамический расчет размеров лопатки не нуждается в пересмотре. Также, непосредственное окружение лопатки не изменено, и ее изготовление усложнено незначительно. Действительно, в случаях, где используется способ литья, изложницы, в которые заливается расплавленный металл и которые воспроизводят форму лопатки, не требуют полной замены. Должна быть осуществлена лишь небольшая локальная доработка существующих изложниц, то есть изложниц, использованных для изготовленных лопаток без изменения формы.

Несмотря на то что эти изменения кажутся небольшими, их влияние на механическую стойкость сектора направляющих лопаток является значительным. Например, для случая сектора направляющих лопаток, имеющего следующие характеристики лопаток:

- высота лопатки: 67 мм,

- радиус на BF: 0,2 мм,

- хорда на вершине лопасти: 34,12 мм,

после увеличения радиуса BF на 100% на уровне соединения между лопаткой и внутренней поверхностью внешнего кольца, увеличения, осуществленного линейно на 1,5 мм высоты лопатки, затем сохранения увеличенного радиуса на 0,8 мм высоты и после этого увеличения толщины лопатки в той же зоне на трети длины хорды для каждого рассмотренного сечения, было зарегистрировано уменьшение приблизительно на 50% максимального напряжения в спае, так же как и перемещение за пределы спая самого места приложения максимального напряжения, наблюдаемого на нижней поверхности в зоне BF.

Сектор направляющих лопаток газотурбинного двигателя включает, по меньшей мере, одну направляющую лопатку, соединенную с внутренним и внешним кольцами и имеющую радиально внутреннюю и внешнюю части, нижнюю и верхнюю поверхности, а также переднюю и заднюю кромки. Радиально внешняя часть разделена на соединенные между собой промежуточную и связующую части, а промежуточная часть расположена между связующей и радиально внутренней частями. Радиально внутренняя часть включает первую зону, соединенную с радиально внешней частью переходной зоной. Каждая лопатка соединена с внешним кольцом только своей связующей частью, а ее промежуточная часть расположена радиально внутри внешнего кольца. Задняя кромка, соединяющая нижнюю и верхнюю поверхности, имеет радиус кривизны, постепенно увеличивающийся в переходной зоне лопатки, достигая максимума на уровне соединения между переходной зоной и промежуточной частью, а затем остается постоянным в промежуточной части и в связующей части. Еще одно изобретение относится к ступени сжатия, включающей решетку секторов направляющих лопаток и подвижное колесо, в которой решетка секторов включает в себя по меньшей мере один указанный выше сектор направляющих лопаток. Другие изобретения группы относятся к компрессору, включающему указанную выше ступень сжатия, и газотурбинному двигателю, включающему такой компрессор. Изобретения позволяют повысить надежность сектора направляющих лопаток за счет снижения напряжений в спае, связывающем лопатку с ее внешним кольцом. 4 н. и 6 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Сектор направляющих лопаток газотурбинного двигателя, включающий в себя по меньшей мере одну направляющую лопатку (2), причем каждая направляющая лопатка соединена с внутренним кольцом (3) и внешним кольцом (4) и имеет радиально внутреннюю часть (2а), радиально внешнюю часть (10), нижнюю поверхность (8), верхнюю поверхность (9), переднюю кромку (6) и заднюю кромку (7), при этом радиально внешняя часть (10), называемая головкой, разделена на соединенные между собой промежуточную часть (2с) и связующую часть (2b), а промежуточная часть (2с) расположена между связующей частью (2b) и радиально внутренней частью (2а), отличающийся тем, что радиально внутренняя часть (2а) каждой лопатки (2) включает в себя первую зону, соединенную с радиально внешней частью (10) переходной зоной (2d), при этом каждая лопатка (2) соединена с внешним кольцом (4) только своей связующей частью (2b), а ее промежуточная часть (2с) расположена радиально внутри внешнего кольца (4), причем задняя кромка (7), соединяющая нижнюю поверхность (8) и верхнюю поверхностью (9), имеет радиус кривизны, постепенно увеличивающийся в переходной зоне (2d) лопатки, достигая максимума на уровне соединения между переходной зоной (2d) и промежуточной частью (2с), а затем остается постоянным в промежуточной части (2с) и в связующей части (2b).

2. Сектор направляющих лопаток по п.1, отличающийся тем, что величина радиуса кривизны задней кромки (7) постоянна в первой зоне радиально внутренней части (2а) каждой лопатки.

3. Сектор направляющих лопаток по одному из пп.1 или 2, отличающийся тем, что величина радиуса кривизны задней кромки (7) линейно увеличивается в переходной зоне (2d) каждой лопатки.

4. Сектор направляющих лопаток по п.1, отличающийся тем, что каждая лопатка имеет толщину, которая постепенно увеличивается в переходной зоне (2d) нижней поверхности в направлении задней кромки (7).

5. Сектор направляющих лопаток по п.1, отличающийся тем, что величина радиуса кривизны задней кромки (7) переходной зоны (2d) каждой лопатки увеличивается до достижения трехкратного значения радиуса кривизны задней кромки (7) первой зоны радиально внутренней части лопатки.

6. Сектор направляющих лопаток по п.1, отличающийся тем, что переходная зона (2d) и промежуточная часть (2с) каждой лопатки составляют 0,5-2,5% общей высоты лопатки.

7. Сектор направляющих лопаток по одному из пп.4-6, отличающийся тем, что для каждой лопатки осуществляется постепенное увеличение толщины лопатки в промежуточной части (2с) на трети длины хорды.

8. Ступень сжатия, включающая в себя решетку секторов направляющих лопаток и подвижное колесо, снабженное подвижными лопатками, причем решетка секторов направляющих лопаток, включает в себя по меньшей мере один сектор направляющих лопаток по одному из пп.1-7.

9. Компрессор, включающий в себя по меньшей мере одну ступень сжатия по п.8.

10. Газотурбинный двигатель, включающий в себя по меньшей мере один компрессор по п.9.