СТАТОРНАЯ ЛОПАТКА ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ С ИЗМЕНЯЕМЫМ УГЛОМ УСТАНОВКИ И ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2011 года по МПК F01D17/16 F04D29/36 F01D9/02 

Настоящее изобретение относится к области газотурбинных двигателей типа аксиальных компрессоров газотурбинных двигателей, в частности статорных лопаток двигателя с изменяемым углом установки.

Рассматриваемая система в виде выходных направляющих лопаток с изменяемым углом наклона содержит взаимно перемещающиеся одна относительно другой детали. На фиг.1 и 2 схематично представлена выходная направляющая лопатка 1 с изменяемым углом установки, размещенная в картере 3 двигателя. Статорная лопатка содержит лопасть 12, пластину или платформу 13 и поворотную опору 14 на конце. Поворотная опора 14 размещена в расточке или радиальном отверстии, выполненном в стенке картера 3, на различных подшипниках. Лопатка закреплена только этим концом. Другой конец лопатки удерживается плавающим кольцевым элементом 16, в котором он установлен с возможностью поворота на второй поворотной опоре 17. Кольцо снабжено уплотнительными средствами со стороны примыкающей части ротора 18. Поворотная опора 14 вращается в соответствующем отверстии картера на подшипниках, например на нижнем подшипнике 4. Платформа 13 размещена в полости, образованной раззенковкой стенки картера. Стенка картера находится в радиальном контакте с платформой 13 или непосредственно, или через втулку или шайбу. Верхняя часть поворотной опоры 14 удерживается в верхнем подшипнике 5.

Противоположная часть платформы 13 по отношению к подшипнику 4 образует базу лопасти и продувается газом от компрессора. Эта часть пластины сформирована таким образом, чтобы обеспечить непрерывность потока, сформированного картером. Гайка удерживает лопатку в посадочном месте и рычаг, управляемый соответствующими органами, управляет вращением лопатки на оси XX опоры для установки лопатки в нужное положение относительно газового потока. Взаимные перемещения являются следствием скольжения находящихся в контакте поверхностей.

В случае использования аксиального компрессора с турбодвигателем с газовой турбиной или аксиального компрессора, работающего с воздухом или другим газом, таким как доменный или природный газ, лопасть 12 по всей длине подвергается воздействию аэродинамических сил и давлению газовых потоков. Составляющая этих сил, ориентированная перпендикулярно хорде в направлении от внутренней части поверхности лопатки к внешней, проходит по оси поворотной опоры и является наиболее важным фактором. Отмечено однако, что в случае серьезных отклонений составляющая может отойти от этой оси. Лопасть подвергается также аксиальным усилиям статического давления, направленным вверх, по причине разности давлений между верхней и нижней частями. Результирующая сила обозначена стрелкой F на чертежах. Отсюда следует использование момента, который сопутствует регулируемому повороту по оси XX на амплитудное значение, которое может достичь и превысить 40 градусов и создать зону интенсивного трения. Это трение приводит к использованию платформы и/или втулок. Первая зона 20 интенсивного трения локализована на части поверхности платформы. Она заштрихована на фиг.2. При нормальной работе машины из-за переменных нагрузок на лопасть 12 платформа приходит в соприкосновение с первой зоной 20 против поверхности размещения в стенке картера, в то время как на части, диаметрально противолежащей поворотной опоре, опорные усилия являются нулевыми или незначительными.

В области аэронавтики исключается любая весовая перегрузка, и независимо от ее устранения уменьшают массу, которая не выполняет никакой функции, будь она механической или аэродинамической.

В качестве ближайшего аналога заявитель использовал патент ЕР 546935, в котором раскрыта лопатка газотурбинного двигателя с изменяемым углом установки.

Заявитель имеет задачей найти решения, позволяющие облегчить машину без ущерба для ее надежности и качества. Любая массивная оболочка улучшает отдачу машины и позволяет уменьшить стоимость эксплуатации. Для решения этой задачи заявитель пришел к предлагаемому изобретению, касающемуся статорной лопатки с изменяемым углом наклона.

Согласно изобретению статорная лопатка турбомашины с изменяемым углом наклона, содержащая лопасть, продленную с одной стороны поворотной опорой, посредством которой она установлена с возможностью вращения в отверстии картера газотурбинного двигателя, и платформу, размещенную между лопастью и поворотной опорой перпендикулярно направлению, образованному лопастью и поворотной опорой, отличается тем, что поверхность платформы, противоположная лопасти, содержит первую и вторую зоны, при этом первая зона подвержена интенсивному трению со стенкой картера из-за поперечных усилий, приложенных к лопасти, а вторая зона при нормальной работе подвержена меньшему трению, чем первая, причем толщина платформы на второй зоне уменьшена по сравнению с толщиной пластины на первой зоне.

Известные лопатки с изменяемым углом установки, в частности лопатки аксиальных компрессоров, имеют платформу одинаковой толщины, если не учитывать кривизну и/или нелинейность потока газа. Благодаря изобретению можно уменьшить массу этой части лопатки без ухудшения ее функциональности путем обеспечения непрерывности потока и уменьшения потерь вдоль поворотной опоры.

Предпочтительно, чтобы часть второй зоны, имеющей меньшую толщину, была расположена по дуге от 60 до 120 градусов вокруг оси поворотной опоры.

Предпочтительно также, чтобы первая зона была размещена со стороны спинки, а вторая - со стороны корыта лопасти.

Предпочтительно также, чтобы вторая зона уменьшенной толщины была ограничена бордюром с образованием камеры декомпрессии между периферией платформы и поворотной опорой. При этом бордюр имеет большую толщину, а верхняя фаска этого бордюра является продолжением верхней плоскости платформы, чем первая зона, образующая декомпрессионную камеру между периферией платформы и поворотной опорой, что позволяет улучшить уплотнение. Кроме того, этот бордюр позволяет формировать контакт в случае инвертирования напора, в частности, когда происходит феномен помпажа компрессора. Кроме того, такое расположение облегчает монтаж машины, препятствуя раскачиванию деталей. Простое и экономичное средство изготовления лопаток с полученной таким образом второй зоной состоит в изготовлении платформы.

Предпочтительно, чтобы во второй зоне меньшей толщины была образована полость при обработке платформы.

Предпочтительно также, чтобы дно полости, в зависимости от используемого инструмента, могло быть выполнено плоским или искривленным.

Предпочтительно также, чтобы полость была выполнена в виде вытянутой дуги окружности.

Еще одним объектом изобретения является газотурбинный двигатель, содержащий вышеуказанную статорную лопатку с изменяемым углом установки.

Другие характеристики и преимущества изобретения вытекают из описания, представляющего один из вариантов изобретения, приводимого со ссылками на фигуры, в числе которых:

фиг.1 изображает вид в разрезе, выполненном по оси двигателя, статорной лопатки с изменяемым углом установки, установленной в картере компрессора;

фиг.2 - вид сверху той же лопатки;

фиг.3 - общий вид части лопатки по изобретению.

Фиг.3 изображает одиночную лопатку статора с поворотной опорой 14. Платформа 13 изображена в изометрии. В соответствии с вариантом осуществления изобретения во второй зоне 22 поверхности платформы, обращенной к картеру 3, выполнена полость 22А, причем зона 22 не подвержена воздействию результирующего воздействия силы F на лопасть 12. Полость 22А выполнена известным способом. Дно полости может быть плоским либо искривленным, если обрабатывающий инструмент выполнен шарообразной формы. Возможны и другие варианты выполнения дна полости. Кроме того, вместо инструментальной обработки могут быть использованы литейное или кузнечное производства либо порошковая металлургия. Полость размещена по дуге, например дуге окружности от 60 до 120 градусов, соответствующей зоне интенсивного трения. Полость уменьшает массу лопатки, но не ухудшает ее механических характеристик. Результирующая толщина платформы достаточна для обеспечения механической прочности пластины. По краю платформы проходит бордюр 23. Он выполняет двойную функцию. Первой является формирование камеры декомпрессии, уменьшающей потери воздуха между потоком газотурбинного двигателя и поворотной опорой 14 через отверстие в картере, в котором размещена поворотная опора 14. Второй функцией является формирование опорной поверхности в случае инвертирования результирующих усилий при аномалиях в работе турбомашины, таких как помпаж компрессора. Кроме того, облегчаются операции монтажа. Ширина бордюра может быть различной. Например, в зоне больших усилий она может быть большей. Предпочтительно ее верхняя плоскость находится в плоскости платформы со стороны картера.

Уменьшение толщины верхней поверхности платформы известно из уровня техники. Однако в рамках изобретения это уменьшение толщины получено формированием полости в платформе, размещенной со стороны потока газа или утоньшением платформы на этом участке.

Статорная лопатка газотурбинного двигателя с изменяемым углом установки содержит лопасть, продленную с одной стороны поворотной опорой, посредством которой она установлена с возможностью вращения в отверстии картера газотурбинного двигателя, и платформу. Платформа выполнена между лопастью и поворотной опорой перпендикулярно направлению, образованному лопастью и поворотной опорой. Плоскость платформы, противолежащая лопасти, содержит первую и вторую зоны, при этом первая зона подвержена интенсивному трению со стенкой картера из-за поперечных усилий, приложенных к лопасти, а толщина платформы во второй зоне уменьшена по сравнению с толщиной платформы в первой зоне. Другое изобретение группы относится к газотурбинному двигателю, содержащему, по меньшей мере, одну указанную выше статорную лопатку. Изобретения позволяют снизить вес газотурбинного двигателя без уменьшения его надежности. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Статорная лопатка газотурбинного двигателя с изменяемым углом установки, содержащая лопасть (12), продленную с одной стороны поворотной опорой (14), посредством которой она установлена с возможностью вращения в отверстии картера (3) газотурбинного двигателя, и платформу (13) между лопастью и поворотной опорой, перпендикулярную направлению, образованному лопастью и поворотной опорой, отличающаяся тем, что плоскость платформы, противолежащая лопасти, содержит первую (20) и вторую (22) зоны, при этом первая зона (20) подвержена интенсивному трению со стенкой картера (3) из-за поперечных усилий, приложенных к лопасти (12), а толщина платформы во второй зоне (22) уменьшена по сравнению с толщиной платформы в первой зоне (20).

2. Статорная лопатка по п.1, отличающаяся тем, что часть второй зоны (22), имеющая меньшую толщину, выполнена в виде дуги, простирающейся от 60 до 120° вокруг поворотной опоры (14).

3. Статорная лопатка по п.1, отличающаяся тем, что первая зона размещена со стороны спинки, а вторая зона - со стороны корыта лопасти.

4. Статорная лопатка по одному из пп.1, 2 или 3, отличающаяся тем, что вторая зона меньшей толщины ограничена бордюром (23) с образованием камеры декомпрессии между периферией платформы (13) и поворотной опорой (14).

5. Статорная лопатка по п.1, отличающаяся тем, что во второй зоне (22) меньшей толщины образована полость при обработке платформы (13).

6. Статорная лопатка по п.5, отличающаяся тем, что дно полости выполнено плоским или искривленным.

7. Статорная лопатка по п.1, отличающаяся тем, что полость выполнена в виде вытянутой дуги окружности.

8. Газотурбинный двигатель, содержащий, по меньшей мере, одну статорную лопатку с изменяемым углом установки по одному из пп.1-7.