УЗЕЛ НЕПОДВИЖНЫХ НАПРАВЛЯЮЩИХ ЛОПАТОК, КОМПРЕССОР ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ И ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2012 года по МПК F01D9/04 F01D25/24 F04D29/54 

Настоящее изобретение касается узла неподвижных выходных направляющих лопаток для распределения по секторам в компрессоре газотурбинного двигателя, такого как турбореактивный или турбовинтовой авиационный двигатель.

Компрессор газотурбинного двигателя имеет несколько ступеней сжатия, каждая из которых содержит кольцевой ряд подвижных лопаток, установленных на валу газотурбинного двигателя, и кольцевой ряд неподвижных выходных направляющих лопаток, установленных на наружном кожухе.

Среди известных технических решений можно, в частности, указать решение, описанное в документе DE 102004004014.

Каждый кольцевой ряд неподвижных выходных направляющих лопаток разбит на сектора и состоит из узлов выходных направляющих лопаток, состыкованных в окружном направлении, при этом каждый узел выходных направляющих лопаток содержит два коаксиальных кольцевых сектора, соединенных между собой радиальными лопатками, и выполнен либо в виде единой литой детали, либо путем крепления концов лопаток на кольцевых секторах.

Литой узел имеет меньшие осевые габариты, чем узел, выполненный путем крепления лопаток на кольцевых секторах, но передние кромки и задние кромки лопаток у такого узла соединены с частями наружного кольцевого сектора, которые, в свою очередь, соединены с монтажными лапками на наружном кожухе и которые поэтому являются более толстыми и очень жесткими.

Следовательно, напряжения, действующие на передние и задние кромки лопаток во время работы, в основном воспринимаются этими передними и задними кромками, которые являются тонкими и не обладают высокой прочностью, и частично не амортизируются наружным кольцевым сектором, что может привести к повреждению или разрушению передних и задних кромок лопаток в зонах их соединения с наружным кольцевым сектором.

Задачей настоящего изобретения является, в частности, устранение указанного недостатка при сохранении преимуществ литых узлов неподвижных выходных направляющих лопаток.

В этой связи в данном изобретении предлагается узел (50) неподвижных направляющих лопаток, образующий сектор кольцевого ряда неподвижных направляющих лопаток компрессора (10) газотурбинного двигателя, выполненный в виде единой детали и содержащий два кольцевых сектора, соответственно внутреннего (20) и наружного (52), проходящих коаксиально один внутри другого, при этом между кольцевыми секторами (20, 52) проходят радиальные лопатки (24), соединенные своими радиальными концами с кольцевыми секторами, и две наружные лапки (56, 66), соответственно переднюю и заднюю, выполненные на наружном кольцевом секторе и проходящие наружу от него, для установки узла направляющих лопаток на кожухе (18), отличающийся тем, что передние (26) и задние (28) кромки лопаток (24) соединены с зонами наружного кольцевого сектора (52), менее жесткими, чем зоны, соединенные с монтажными лапками, и тем, что наружный кольцевой сектор содержит на своем переднем конце первый бортик (64), который проходит, по существу, параллельно передней лапке и с которым соединены передние кромки лопаток, а на своем заднем конце второй бортик (54), который проходит, по существу, параллельно задней лапке и с которым соединены задние кромки лопаток (24), и тем, что передний и задний бортики соединены между собой и со срединной частью (72) наружного кольцевого сектора, причем срединная часть имеет толщину или радиальный размер больше, чем толщина переднего и заднего бортиков.

Согласно изобретению, соединение передних и/или задних кромок лопаток с частями наружного кольцевого сектора, менее жесткими, чем части, соединенные с монтажными лапками, позволяет лучше распределять усилия между передними и задними кромками лопаток и кольцевым сектором и, следовательно, передавать на кольцевой сектор, по меньшей мере, часть напряжений, действующих на передние и задние кромки лопаток во время работы. В результате значительно увеличивается срок службы этих узлов неподвижных выходных направляющих лопаток.

Согласно другому отличительному признаку настоящего изобретения, по меньшей мере, один из осевых концов наружного кольцевого сектора содержит бортик, который выполняют, по существу, параллельно одной из монтажных лапок и с которым соединяют передние кромки или задние кромки лопаток.

Форму и размеры бортика или каждого бортика наружного кольцевого сектора определяют таким образом, чтобы этот бортик обладал достаточной гибкостью для лучшего распределения напряжений передних или задних кромок лопаток.

В варианте выполнения изобретения передний конец наружного кольца содержит бортик, который соединяют с передними кромками лопаток и который выполняют, по существу, параллельно передней лапке.

В варианте выполнения или согласно дополнительному отличительному признаку задний конец кольцевого сектора содержит бортик, который соединяют с задними кромками лопаток и который выполняют, по существу, параллельно задней лапке.

Монтажную лапку или каждую монтажную лапку, выполненную, по существу, параллельно такому бортику наружного кольцевого сектора, соединяют со срединной частью этого кольца, которая может иметь толщину или радиальный размер, отличающийся или, например, превышающий толщину или радиальный размер бортика.

Срединная часть наружного кольцевого сектора может иметь толщину или радиальный размер, оптимизированный в соответствии с собственными частотами лопаток и кольцевых секторов и при этом улучшающий передачу напряжений между лопатками и наружным кольцевым сектором.

В варианте изобретения одна из монтажных лапок содержит, по меньшей мере, одну радиально наружную нервюру, выполненную для упирания в соответствующую поверхность кожуха.

Изобретение касается также компрессора газотурбинного двигателя, отличающегося тем, что содержит, по меньшей мере, один кольцевой ряд неподвижных выходных направляющих лопаток, состоящий из описанных выше узлов выходных направляющих лопаток, состыкованных в окружном направлении вокруг оси компрессора, а также газотурбинного двигателя, такого как турбореактивный или турбовинтовой авиационный двигатель, содержащего такой компрессор.

Настоящее изобретение и его другие детали, отличительные признаки и преимущества будут более очевидны из нижеследующего описания, представленного в качестве неограничительного примера, со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых показано:

Фиг.1 - частичный схематичный вид в осевом разрезе компрессора высокого давления газотурбинного двигателя и литого узла неподвижных выходных направляющих лопаток согласно предшествующему уровню техники.

Фиг.2 - вид другого узла неподвижных выходных направляющих лопаток согласно предшествующему уровню техники.

Фиг.3 - схематичный вид в перспективе узла неподвижных выходных направляющих лопаток в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг.4 и 5 - схематичный вид в перспективе вариантов выполнения узла неподвижных выходных направляющих лопаток в соответствии с настоящим изобретением.

Показанный на фиг.1 компрессор 10 содержит несколько ступеней сжатия, из которых показаны только две, при этом каждая ступень содержит кольцевой ряд 12 подвижных лопаток, радиально внутренние концы которых закреплены на диске 14, установленном на валу ротора, непоказанного на чертеже, и кольцевой ряд 16 неподвижных выходных направляющих лопаток, выполненных после кольцевого ряда 12 подвижных лопаток и установленных на наружном цилиндрическом кожухе 18.

Кольцевые ряды 16 неподвижных выходных направляющих лопаток разбиты на сектора и состоят из узлов выходных направляющих лопаток, установленных встык в окружном направлении вокруг оси компрессора. Каждый из этих узлов выходных направляющих лопаток содержит два коаксиальных кольцевых сектора, внутренний 20 и наружный 22, например, выполненные в виде участка цилиндра, которые расположены одно внутри другого и соединены друг с другом радиальными лопатками 24. Эти лопатки 24 имеют вогнутую внутреннюю поверхность или корытце и выпуклую наружную поверхность или спинку, соединенные между собой своими передними и задними краями, образуя передние 26 и задние 28 кромки, обдуваемые воздухом, проходящим через компрессор.

Каждый узел неподвижных выходных направляющих лопаток закреплен на наружном кожухе 18 при помощи двух наружных лапок 30, выполненных на осевых концах наружного кольцевого сектора 22, при этом каждая лапка 30 содержит кольцевую часть 32, выполненную, по существу, радиально наружу от конца кольцевого сектора 22, и часть 34, по существу, в виде участка цилиндра, выполненную соответственно вперед или назад от радиального наружного конца кольцевой части 32 и заходящую в соответствующий кольцевой паз 36 кожуха.

Внутренняя поверхность наружного кольцевого сектора 22 находится на одной линии с внутренней круглой поверхностью кожуха 18. На внутренней поверхности внутреннего кольцевого сектора 20 закреплен блок 38 материала, предназначенный для герметичного взаимодействия с нервюрами 40 вала ротора компрессора, чтобы препятствовать прохождению газов между внутренним кольцевым сектором 20 и валом ротора.

Узел выходных направляющих лопаток, показанный на фиг.1, выполнен в виде единой детали, в частности, при помощи литья, что позволяет минимизировать осевой размер наружного кольцевого сектора 22 и, следовательно, осевой габарит узла спрямляющих решеток за счет расположения наружных лапок 30, как можно ближе к передним 26 и задним 28 кромкам радиальных лопаток. Таким образом, передние 26 и задние 28 кромки лопаток соединяют с толстыми и жесткими частями кольцевого сектора, которые не являются достаточно гибкими, чтобы частично поглощать напряжения, которым подвергаются передние и задние кромки лопаток во время работы.

Узел выходных направляющих лопаток, показанный на фиг.2, выполнен путем соединения радиальных лопаток 24 с кольцевыми секторами 20, 22, в частности, путем соединения в паз и сварки или пайки концов лопаток 24 в соответствующих отверстиях колец 20, 22. Осевой размер такого узла больше осевого размера узла, показанного на фиг.1, так как крепежные лапки 30 узла должны быть отодвинуты соответственно вперед и назад от монтажных отверстий радиальных лопаток. Вместе с тем, этот вариант выполнения позволяет соединять передние и задние кромки лопаток с частями кольцевого сектора, которые имеют относительно небольшую толщину и являются достаточно гибкими, чтобы поглощать часть напряжений, которым подвергаются передние 26 и задние 28 кромки лопаток во время работы.

Настоящее изобретение позволяет использовать преимущества и избежать недостатков этих двух вариантов выполнения.

В первом варианте выполнения настоящего изобретения, показанном на фиг.3, наружный кольцевой сектор 52 узла 50 выходных направляющих лопаток содержит задний бортик 54, по существу, выполненный в виде участка цилиндра, который в осевом направлении находится на одной линии с остальной частью кольцевого сектора и который выполнен, по существу, параллельно задней лапке 56 и внутри нее. Эта лапка 56 содержит кольцевую часть 58, выполненную, по существу, радиально наружу от кольцевого сектора 52, и часть 60, по существу, в виде участка цилиндра или конуса, которая направлена назад от радиально наружного конца кольцевой части 58 и которая предназначена для входа в кольцевой паз кожуха 18.

Радиальная часть 58 задней лапки 56 соединена с наружным кольцевым сектором 52 перед задними кромками 28 радиальных лопаток 24, соединенными с бортиком 54, образуя задний конец наружного кольцевого сектора 52. Поскольку этот бортик 54 не служит для соединения наружной лапки 56 и не участвует в креплении узла выходных направляющих лопаток на кожухе, его толщину можно уменьшить, чтобы придать ему определенную гибкость, что позволяет ему частично поглощать напряжения, действующие на задние кромки лопаток 24 во время работы. Толщина бортика 54 может быть, по существу, равна толщине остальной части кольцевого сектора (кроме зон соединения наружных крепежных лапок) или быть меньше этой толщины.

Часть 60 задней лапки 56 содержит также радиально наружную нервюру 62, которая должна упираться в соответствующую поверхность кожуха, когда часть 60 лапки заходит в паз упомянутого кожуха. На фиг.1 эта поверхность является радиальной и образована цилиндрическим бортиком кожуха 18.

Внутренний кольцевой сектор 20, лопатки 24 и передняя кольцевая часть 30 аналогичны соответствующим деталям узла, показанного на фиг.1.

Узел 50, показанный на фиг.4, отличается от узла, показанного на фиг.3, тем, что наружный кольцевой сектор 52 содержит также передний бортик 64, по существу, в виде участка цилиндра, который в осевом направлении находится на одной линии с остальной частью кольцевого сектора и который выполнен, по существу, параллельно передней лапке 66 крепления узла и внутри нее. Эта лапка 66 содержит кольцевую часть 68, выполненную, по существу, радиально наружу от части кольцевого сектора, находящейся за зоной соединения передних кромок 26 лопаток, и вторую часть 70, по существу, в виде участка цилиндра, выполненную, по существу, в осевом направлении вперед от радиального наружного конца кольцевой части 68 и предназначенную для входа в кольцевой паз кожуха 18.

В варианте выполнения передняя 66 и задняя 56 лапки отделены друг от друга срединной частью наружного кольцевого сектора 52, которая имеет, по существу, такую же толщину или радиальный размер, что и передний 64 и задний 54 бортики этого кольцевого сектора. Это позволяет оптимизировать собственные частоты лопаток 24 и наружного кольцевого сектора 52 и в то же время улучшить передачу напряжений между передними и задними кромками лопаток и наружным кольцевым сектором.

В варианте выполнения, показанном на фиг.5, передняя 66 и задняя 56 крепежные лапки соединены со срединной частью 72 наружного кольцевого сектора, которая имеет толщину или радиальный размер существенно больше толщины или радиального размера переднего 64 и заднего 54 бортиков наружного кольцевого сектора. В представленном примере первые радиальные части 58, 68 соответственно передних 66 и задних 56 лапок образованы толстой срединной частью наружного кольцевого сектора 52. Этот вариант выполнения тоже позволяет улучшить передачу напряжений между лопатками и наружным кольцевым сектором.

Разумеется, настоящее изобретение не ограничивается описанными вариантами выполнения, показанными на прилагаемых чертежах. Например, узел спрямляющих решеток, показанный на фиг.3, может быть выполнен с бортиком 54 на переднем конце и с лапкой 30 на переднем конце в отличие от показанного варианта.

Узел неподвижных направляющих лопаток выполнен в виде единой детали и содержит два кольцевых сектора, проходящих коаксиально, и две наружные лапки. Между кольцевыми секторами проходят соединенные с ними лопатки. Наружные лапки выполнены на наружном кольцевом секторе и проходят наружу от него, для установки узла направляющих лопаток на кожухе. Передние и задние кромки лопаток соединены с зонами наружного кольцевого сектора, менее жесткими, чем зоны, соединенные с монтажными лапками. Наружный кольцевой сектор содержит на своем переднем конце первый бортик, с которым соединены передние кромки лопаток, а на своем заднем конце второй бортик, с которым соединены задние кромки лопаток. Передний и задний бортики соединены между собой и со срединной частью наружного кольцевого сектора, причем срединная часть имеет толщину или радиальный размер больше, чем толщина переднего и заднего бортиков. Другое изобретение группы относится к компрессору газотурбинного двигателя, включающему кольцевой ряд неподвижных направляющих лопаток, образованный из указанных выше узлов направляющих лопаток. Еще одно изобретение группы относится к газотурбинному двигателю, содержащему указанный компрессор. Изобретение позволяет повысить надежность узла неподвижных направляющих лопаток компрессора газотурбинного двигателя. 3. н. и 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Узел (50) неподвижных направляющих лопаток, образующий сектор кольцевого ряда неподвижных направляющих лопаток компрессора (10) газотурбинного двигателя, выполненный в виде единой детали и содержащий два кольцевых сектора, соответственно внутреннего (20) и наружного (52), проходящих коаксиально один внутри другого, при этом между кольцевыми секторами (20, 52) проходят радиальные лопатки (24), соединенные своими радиальными концами с кольцевыми секторами, и две наружные лапки (56, 66), соответственно переднюю и заднюю, выполненные на наружном кольцевом секторе и проходящие наружу от него, для установки узла направляющих лопаток на кожухе (18), отличающийся тем, что передние (26) и задние (28) кромки лопаток (24) соединены с зонами наружного кольцевого сектора (52), менее жесткими, чем зоны, соединенные с монтажными лапками, и тем, что наружный кольцевой сектор содержит на своем переднем конце первый бортик (64), который проходит, по существу, параллельно передней лапке и с которым соединены передние кромки лопаток, а на своем заднем конце второй бортик (54), который проходит, по существу, параллельно задней лапке и с которым соединены задние кромки лопаток (24), и тем, что передний и задний бортики соединены между собой и со срединной частью (72) наружного кольцевого сектора, причем срединная часть имеет толщину или радиальный размер больше, чем толщина переднего и заднего бортиков.

2. Узел по п.1, отличающийся тем, что одна из монтажных лапок (56) содержит, по меньшей мере, одну радиально наружную нервюру (62), выполненную для упирания в соответствующую поверхность кожуха (18).

3. Узел по п.1 или 2, отличающийся тем, что выполнен литьем.

4. Компрессор (10) газотурбинного двигателя, отличающийся тем, что содержит, по меньшей мере, один кольцевой ряд неподвижных направляющих лопаток, образованный из узлов (50) направляющих лопаток по пп.1-3, установленных встык в окружном направлении вокруг оси компрессора.

5. Газотурбинный двигатель, в частности турбореактивный или турбовинтовой авиационный двигатель, отличающийся тем, что содержит компрессор (10) по п.4.